Fenomena interferensi dan difraksi cahaya menegaskan sifat gelombangnya. Pada awal abad ke-19, T. Jung dan O. Fresnel, setelah menciptakan teori gelombang cahaya, menganggap gelombang cahaya sebagai gelombang longitudinal, yaitu mirip dengan gelombang suara. Untuk melakukan ini, mereka harus memperkenalkan semacam lingkungan hipotetis yang disebut eter, di mana perambatan gelombang cahaya longitudinal terjadi. Pada saat itu, tampak luar biasa bahwa cahaya adalah gelombang transversal, karena, dengan analogi dengan gelombang mekanik, orang harus berasumsi bahwa eter adalah benda padat (gelombang mekanik transversal tidak dapat merambat dalam medium gas atau cair). Namun, sudah ada fakta yang bertentangan dengan longitudinalitas gelombang cahaya saat itu.

Kembali pada Abad Pertengahan, para pelaut membawa batu transparan yang tidak biasa dari Islandia, yang kemudian disebut spar Islandia. Keanehan mereka terletak pada kenyataan bahwa jika sepotong spar Islandia diletakkan pada prasasti apa pun, maka prasasti itu akan terlihat bercabang dua.

Pada tahun 1669, ilmuwan Denmark Bartholin melaporkan hasil yang menarik dari eksperimennya dengan kristal spar Islandia. Saat melewati kristal seperti itu, berkas terbelah menjadi dua (Gbr. 2.6.1). Sinar ini dinamakan balok biasa dan sinar yang luar biasa, dan fenomena itu sendiri birefringence.

Sinar biasa mematuhi hukum bias biasa, dan sinar luar biasa tidak mematuhi hukum ini. Sinar terbelah dua bahkan ketika mereka biasanya datang pada kristal spar Islandia. Jika kristal diputar relatif terhadap arah berkas asal, maka kedua berkas yang telah melewati kristal diputar. Bartholin juga menemukan bahwa ada arah tertentu dalam kristal di mana sinar datang tidak terpecah. Namun, dia tidak bisa menjelaskan fenomena tersebut.

Beberapa tahun kemudian, penemuan Bartholin ini menarik perhatian Huygens, yang memperkenalkan konsep tersebut sumbu optik kristal(Bartolin benar-benar menemukannya).

Sumbu optik kristal disebut arah yang dipilih dalam kristal, di mana sinar biasa dan luar biasa merambat tanpa memisahkan.

Pada tahun 1809, insinyur Prancis E. Malus melakukan percobaan dengan kristal turmalin (kristal kehijauan transparan). Dalam percobaan ini, cahaya berturut-turut dilewatkan melalui dua pelat turmalin yang identik. Jika pelat kedua diputar relatif terhadap pelat pertama, maka intensitas cahaya yang melewati pelat kedua berubah dari nilai maksimum menjadi nol (Gbr. 2.6.2). Ketergantungan intensitas cahaya Saya dari sudut j antara sumbu optik kedua pelat memiliki bentuk:

(hukum Malus ), (2.6.1)

di mana Saya 0 adalah intensitas cahaya datang.

Beras. 2.6.3 sebuah. Beras. 2.6.3 b.

Baik pembiasan ganda maupun hukum Malus tidak dapat dijelaskan dalam kerangka teori gelombang cahaya longitudinal. Untuk gelombang longitudinal, arah rambat sinar adalah sumbu simetri. Dalam gelombang longitudinal, semua arah dalam bidang yang tegak lurus terhadap balok adalah sama.

Untuk memahami bagaimana gelombang transversal berperilaku, pertimbangkan gelombang yang merambat sepanjang tali pada bidang vertikal. Jika sebuah kotak dengan celah vertikal ditempatkan di jalur gelombang ini (Gbr. 2.6.3 sebuah), maka gelombang melewati dengan bebas melalui slot. Jika slot di dalam kotak terletak horizontal, maka gelombang tidak lagi melewatinya (Gbr. 2.6.3 b). Gelombang ini disebut juga pesawat terpolarisasi, karena getaran di dalamnya terjadi pada satu bidang (vertikal).

Eksperimen dengan kristal spar Islandia dan turmalin memungkinkan untuk membuktikan bahwa gelombang cahaya adalah transversal. T. Jung (1816) adalah orang pertama yang mengemukakan bahwa gelombang cahaya bersifat transversal. Fresnel, terlepas dari Jung, juga mengajukan konsep gelombang cahaya transversal, memperkuatnya dengan berbagai eksperimen dan menciptakan teori birefringence cahaya dalam kristal.

Pada pertengahan 60-an abad XIX, Maxwell sampai pada kesimpulan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Kesimpulan ini dibuat atas dasar kebetulan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik, yang diperoleh dari teori Maxwell, dengan nilai kecepatan cahaya yang diketahui. Pada saat Maxwell menyimpulkan bahwa gelombang elektromagnetik ada, sifat transversal gelombang cahaya telah dibuktikan secara eksperimental. Oleh karena itu, Maxwell percaya bahwa transversal gelombang elektromagnetik adalah bukti penting lain dari sifat elektromagnetik cahaya.

Dalam teori elektromagnetik cahaya, kesulitan yang terkait dengan kebutuhan untuk memperkenalkan media perambatan gelombang khusus, eter, yang harus dianggap sebagai benda padat, juga menghilang.

Dalam gelombang elektromagnetik, vektor-vektor dan saling tegak lurus dan terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Diterima bahwa bidang di mana vektor berosilasi disebut bidang getaran, dan bidang di mana osilasi vektor terjadi, bidang polarisasi. Karena dalam semua proses interaksi cahaya dengan materi, peran utama dimainkan oleh vektor kuat medan listrik, ini disebut vektor cahaya. Jika, selama perambatan gelombang elektromagnetik, vektor cahaya mempertahankan orientasinya, gelombang seperti itu disebut terpolarisasi linier atau pesawat terpolarisasi.

Cahaya terpolarisasi linier dipancarkan oleh laser. Namun, cahaya yang dipancarkan dari sumber biasa (seperti sinar matahari, lampu pijar, dll.) tidak terpolarisasi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa atom memancarkan cahaya dalam rangkaian terpisah secara independen satu sama lain. Akibatnya, vektor dalam gelombang cahaya yang dihasilkan secara acak mengubah orientasinya dalam waktu, sehingga rata-rata semua arah osilasi adalah sama.

Gelombang cahaya di mana arah osilasi vektor cahaya berubah secara kacau dalam waktu disebut alami atau cahaya tak terpolarisasi.

Cahaya alami, melewati kristal spar Islandia atau turmalin, terpolarisasi. Fenomena pembiasan ganda cahaya dijelaskan oleh fakta bahwa dalam banyak zat kristal indeks bias untuk dua gelombang terpolarisasi saling tegak lurus berbeda. Oleh karena itu, kristal membagi dua sinar yang melewatinya (Gbr. 2.6.1). Dua berkas pada keluaran kristal terpolarisasi linier dalam arah yang saling tegak lurus. Kristal di mana birefringence terjadi disebut anisotropik.

Cahaya dapat menjadi terpolarisasi ketika dipantulkan atau dihamburkan. Secara khusus, cahaya biru langit sebagian atau seluruhnya terpolarisasi. Polarisasi cahaya yang dipantulkan pertama kali diamati oleh Malus ketika ia melihat melalui kristal spar Islandia pada pantulan matahari terbenam di jendela Istana Luksemburg di Paris. Malus menemukan bahwa cahaya yang dipantulkan terpolarisasi sampai batas tertentu. Derajat polarisasi sinar pantul tergantung pada sudut datang: pada peristiwa normal, sinar pantul tidak sepenuhnya terpolarisasi, dan ketika datang pada sudut yang disebut sudut polarisasi penuh atau sudut Brewster, sinar pantul adalah 100% terpolarisasi. Ketika dipantulkan pada sudut Brewster, sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus (Gbr. 2.5.4). Sinar pantul terpolarisasi bidang sejajar dengan permukaan.

Karena , dan , maka sudut Brewster ditemukan dengan rumus .

Cahaya terpolarisasi banyak digunakan di banyak bidang teknologi (misalnya, untuk kontrol cahaya yang mulus, dalam studi tegangan elastis, dll.). Mata manusia tidak membedakan polarisasi cahaya, tetapi mata beberapa serangga, seperti lebah, melihatnya.

| | | | | | 7 |

Hari ini dalam pelajaran kita akan berkenalan dengan fenomena polarisasi cahaya. Mari kita pelajari sifat-sifat cahaya terpolarisasi. Mari berkenalan dengan bukti eksperimental transversal gelombang cahaya.

Fenomena interferensi dan difraksi tidak diragukan lagi bahwa cahaya yang merambat memiliki sifat gelombang. Tapi jenis gelombang apa - longitudinal atau transversal?

Untuk waktu yang lama, pendiri optik gelombang, Jung dan Fresnel, menganggap gelombang cahaya sebagai gelombang longitudinal, yaitu mirip dengan gelombang suara. Pada saat itu, gelombang cahaya dianggap sebagai gelombang elastis di eter yang mengisi ruang dan menembus ke semua benda. Gelombang seperti itu, tampaknya, tidak dapat transversal, karena gelombang transversal hanya dapat ada dalam benda padat. Tetapi bagaimana tubuh dapat bergerak dalam eter padat tanpa menghadapi hambatan? Bagaimanapun, eter seharusnya tidak menghalangi pergerakan tubuh. Jika tidak, hukum inersia tidak akan berlaku.

Namun, secara bertahap semakin banyak fakta eksperimental dikumpulkan, yang tidak dapat ditafsirkan dengan cara apa pun, mengingat gelombang cahaya bersifat longitudinal.

Eksperimen dengan turmalin

Dan sekarang, kami akan mempertimbangkan secara rinci hanya satu percobaan, sangat sederhana dan sangat efektif. Ini adalah percobaan dengan kristal turmalin (kristal hijau transparan).

Jika seberkas cahaya dari lampu listrik atau matahari diarahkan secara normal ke pelat seperti itu, maka rotasi pelat di sekitar balok tidak akan menyebabkan perubahan intensitas cahaya yang melewatinya (Gbr. 1. ). Anda mungkin berpikir bahwa cahaya hanya sebagian diserap dalam turmalin dan memperoleh warna kehijauan. Tidak ada lagi yang terjadi. Tapi tidak. Gelombang cahaya telah memperoleh sifat baru.

Sifat-sifat baru ini terungkap jika berkas dipaksa melewati sedetik, kristal turmalin yang sama persis (Gbr. 2(a)), sejajar dengan yang pertama. Dengan sumbu kristal yang diarahkan secara identik, sekali lagi, tidak ada hal menarik yang terjadi: berkas cahaya semakin melemah karena penyerapan pada kristal kedua. Tetapi jika kristal kedua diputar, meninggalkan yang pertama tidak bergerak, maka fenomena luar biasa akan terungkap - padamnya cahaya. Saat sudut antara sumbu meningkat, intensitas cahaya berkurang. Dan ketika sumbu tegak lurus satu sama lain, cahaya tidak lewat sama sekali. Itu sepenuhnya diserap oleh kristal kedua.

Gelombang cahaya yang merambat ke segala arah tegak lurus terhadap arah rambat disebut alami.

Cahaya yang arah osilasi vektor cahayanya teratur disebut terpolarisasi.

Polarisasi cahaya- ini adalah salah satu sifat dasar radiasi optik (cahaya), yang terdiri dari ketidaksetaraan arah yang berbeda dalam bidang yang tegak lurus terhadap berkas cahaya (arah perambatan gelombang cahaya).

Polarizer- perangkat yang memungkinkan untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi.

Penganalisis- perangkat yang dapat digunakan untuk menganalisis apakah cahaya terpolarisasi atau tidak.

Skema pengoperasian polarizer dan analyzer

Gelombang cahaya transversal

Dari percobaan yang dijelaskan di atas, dua fakta berikut:

Pertama-tama bahwa gelombang cahaya yang datang dari sumber cahaya benar-benar simetris terhadap arah rambat (selama rotasi kristal di sekitar berkas pada percobaan pertama, intensitasnya tidak berubah).

Kedua bahwa gelombang yang muncul dari kristal pertama tidak memiliki simetri aksial (bergantung pada rotasi kristal kedua relatif terhadap berkas, diperoleh intensitas cahaya yang ditransmisikan ini atau itu).

Intensitas cahaya yang keluar dari polarizer pertama:

Intensitas cahaya yang melewati polarizer kedua:

Intensitas cahaya yang melewati dua polarizer:

Mari kita simpulkan: 1. Cahaya adalah gelombang transversal. Tetapi dalam berkas gelombang yang datang dari sumber konvensional, terdapat osilasi dari semua arah yang mungkin, tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

2. Kristal turmalin memiliki kemampuan untuk mentransmisikan gelombang cahaya dengan getaran yang terletak di satu bidang tertentu.

Model polarisasi linier gelombang cahaya

Polaroid

Tidak hanya kristal turmalin yang mampu mempolarisasi cahaya. Properti yang sama, misalnya, memiliki apa yang disebut polaroid. polaroid adalah lapisan tipis (0,1 mm) kristal herapatit yang diendapkan pada seluloid atau pelat kaca. Dengan polaroid, Anda dapat melakukan eksperimen yang sama seperti dengan kristal turmalin. Keuntungan dari polaroid adalah Anda dapat membuat permukaan besar yang mempolarisasikan cahaya.

Kelemahan dari Polaroid adalah warna ungu yang mereka berikan pada cahaya putih.

Difraksi dan interferensi cahaya menegaskan sifat gelombang cahaya. Tapi gelombang bisa memanjang dan melintang. Simak pengalaman berikut ini.

Polarisasi cahaya

Mari kita melewatkan seberkas cahaya melalui pelat turmalin persegi panjang, yang salah satu permukaannya sejajar dengan sumbu kristal. Tidak ada perubahan yang terlihat. Cahaya hanya sebagian padam di piring dan memperoleh warna kehijauan.

gambar

Sekarang setelah kita menempatkan piring lain setelah yang pertama. Jika sumbu kedua pelat sejajar, tidak akan terjadi apa-apa. Tetapi jika kristal kedua mulai berputar, maka lampu akan padam. Ketika sumbu tegak lurus, tidak akan ada cahaya sama sekali. Ini akan sepenuhnya diserap oleh pelat kedua.

gambar

Mari kita buat dua kesimpulan:

1. Gelombang cahaya simetris terhadap arah rambat.

2. Setelah melewati kristal pertama, gelombang tidak lagi memiliki simetri aksial.

Ini tidak dapat dijelaskan dari sudut pandang gelombang longitudinal. Oleh karena itu, cahaya merupakan gelombang transversal. Kristal turmalin adalah polaroid. Ini mentransmisikan gelombang cahaya, osilasi yang terjadi dalam satu bidang. Properti ini diilustrasikan dengan baik pada gambar berikut.

gambar

Gelombang cahaya transversal dan teori elektromagnetik cahaya

Cahaya yang dihasilkan setelah melewati polaroid disebut cahaya terpolarisasi bidang. Dalam cahaya terpolarisasi, getaran hanya terjadi dalam satu arah - arah melintang.

Teori elektromagnetik cahaya berasal dari karya Maxwell. Pada paruh kedua abad ke-19, Maxwell secara teoritis membuktikan adanya gelombang elektromagnetik yang dapat merambat bahkan dalam ruang hampa.

Dan dia menyarankan bahwa cahaya juga merupakan gelombang elektromagnetik. Teori elektromagnetik cahaya didasarkan pada fakta bahwa kecepatan cahaya dan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik adalah sama.

Pada akhir abad ke-19, akhirnya ditetapkan bahwa gelombang cahaya muncul dari pergerakan partikel bermuatan dalam atom. Dengan pengakuan teori ini, kebutuhan akan eter bercahaya, di mana gelombang cahaya merambat, telah menghilang. gelombang cahaya Ini bukan gelombang mekanik, tetapi gelombang elektromagnetik.

Osilasi gelombang cahaya terdiri dari osilasi dua vektor: vektor intensitas dan vektor induksi magnetik. Arah osilasi vektor kuat medan listrik dianggap sebagai arah osilasi dalam gelombang cahaya.

gelombang transversal- gelombang yang merambat dalam arah tegak lurus terhadap bidang di mana partikel medium berosilasi (dalam kasus gelombang elastis) atau di mana vektor medan listrik dan magnet berada (untuk gelombang elektromagnetik).

Gelombang transversal mencakup, misalnya, gelombang dalam tali atau membran elastis, ketika perpindahan partikel di dalamnya terjadi secara tegak lurus terhadap arah rambat gelombang, serta gelombang elektromagnetik bidang homogen dalam dielektrik atau magnet isotropik; dalam hal ini, osilasi transversal dilakukan oleh vektor medan listrik dan magnet.

Gelombang transversal memiliki polarisasi, yaitu vektor amplitudonya berorientasi dengan cara tertentu pada bidang transversal. Secara khusus, polarisasi linier, melingkar dan elips dibedakan tergantung pada bentuk kurva yang digambarkan oleh ujung vektor amplitudo. Konsep gelombang transversal, serta gelombang longitudinal, sampai batas tertentu bersyarat dan terkait dengan cara itu dijelaskan. "Transversitas" dan "longitudinalitas" gelombang ditentukan oleh besaran yang benar-benar diamati. Dengan demikian, gelombang elektromagnetik bidang dapat digambarkan oleh vektor Hertzian longitudinal. Dalam beberapa kasus, pembagian gelombang menjadi gelombang longitudinal dan transversal umumnya kehilangan maknanya. Jadi, dalam gelombang harmonik di permukaan air yang dalam, partikel-partikel medium membuat gerakan melingkar pada bidang vertikal yang melewati vektor gelombang , yaitu. osilasi partikel memiliki komponen longitudinal dan transversal.

Pada tahun 1809, insinyur Prancis E. Malus menemukan hukum yang dinamai menurut namanya. Dalam percobaan Malus, cahaya secara berurutan melewati dua pelat turmalin yang identik (zat kristal transparan berwarna kehijauan). Pelat dapat berputar relatif satu sama lain melalui sudut

Intensitas cahaya yang ditransmisikan ternyata berbanding lurus dengan cos2 :

Fenomena Brewster digunakan untuk membuat polarisasi cahaya, dan fenomena refleksi internal total digunakan untuk melokalisasi secara spasial gelombang cahaya di dalam serat optik. Indeks bias bahan serat optik melebihi indeks bias lingkungan (udara), sehingga berkas cahaya di dalam serat mengalami pemantulan internal total pada antarmuka antara serat dan medium dan tidak dapat melampaui serat. Dengan bantuan serat optik, dimungkinkan untuk mengirim seberkas cahaya dari satu titik di ruang angkasa ke titik lain di sepanjang lintasan lengkung yang berubah-ubah.

Saat ini, teknologi telah dibuat untuk pembuatan serat kuarsa dengan diameter , yang praktis tidak memiliki cacat internal dan eksternal, dan kekuatannya tidak kurang dari baja. Pada saat yang sama, adalah mungkin untuk mengurangi kerugian radiasi elektromagnetik dalam serat ke nilai kurang dari , dan juga secara signifikan mengurangi dispersi. Hal ini memungkinkan pada tahun 1988. mengoperasikan jalur komunikasi serat optik yang menghubungkan Amerika dengan Eropa di sepanjang dasar Samudra Atlantik. FOCL modern mampu memberikan kecepatan transfer informasi di atas.

Pada intensitas tinggi gelombang elektromagnetik, karakteristik optik medium, termasuk indeks bias, tidak lagi konstan dan menjadi fungsi radiasi elektromagnetik. Prinsip superposisi untuk medan elektromagnetik berhenti berlaku, dan mediumnya disebut non-linier. Dalam fisika klasik, model ini digunakan untuk menggambarkan efek optik nonlinier osilator anharmonik. Dalam model ini, energi potensial elektron atom ditulis sebagai deret dalam pangkat perpindahan x elektron relatif terhadap posisi kesetimbangannya.