Поляризация рассеянного света — в помощь студенту

  • Урок изучения нового материала
  • по теме «Поляризация света» в 11 классе
  • Цель:
  • сформировать понятие о поляризации света, объяснить поляризацию света с точки зрения волновых представлений, организовать на уроке самостоятельное изучение данного явления с помощью выполнения экспериментальных заданий
  • закрепление основных навыков экспериментальной работы;
  • Развитие познавательных умений и самостоятельности к творческому поиску при решении конкретных задач;
  • Развитие умений анализировать работу; умение сравнивать теоретические выводы и результат эксперимента.
  • Пояснительная записка.
  • Структура урока.
Этапы урока Содержание работы Время (мин.) Методы и приемы
1. Вводный Оргмомент 1-2
2. Повторение Повторение основных понятий волновой оптики 2-4 Фронтальный опрос
3. Объяснение нового материала Выполнение экспериментальных заданий 25-30 Работа в парах
4. Итоговый Подведение итогов. Контроль знаний. 5-10 Рефлексия
  1. Повторение
  2. Вопросы:
  3. Что такое свет? Ответ: свет – это электромагнитные волны

Поперечны или продольны электромагнитные волны? Что совершает колебания? 

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Ответ: Электромагнитные волны поперечны. Векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В перпендикулярны друг другу, колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Каковы фазы колебаний векторов Е и В? Ответ: Векторы В и Е колеблются в одинаковых фазах, т.е. достигают максимума и минимума одновременно в одних и тех же точках пространства.

Какова скорость света в вакууме? Ответ: Скорость света равна 300000 км/с.

Объяснение нового материала

В световых волнах, испускаемых обычными источниками света (например, лампочкой накаливания), колебания вектора Е происходят по всевозможным направлениям. Такой свет называют естественным (не поляризованным).

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Изотопические эффекты в атомах - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

Если при распространении электромагнитной волны вектор напряженности электрического поля Е сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Некоторые источники могут испускать поляризованный свет.

В таком свете колебания электрического и магнитного полей происходят не по всем направлениям, а только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляризованный свет можно получить при помощи поляризаторов. Если посмотреть через тонкую кристаллическую пенку (поляризатор) на естественный свет и покрутить его вокруг своей оси, то ничего не произойдет.

Однако если пропустить свет через две такие пластинки, мы обнаруживаем у него новые свойства. При вращении одной пластинки относительно другой интенсивность прошедшего света будет меняться от полного пропускания в случае, когда плоскости поляризации обоих пластинок совпадают, до полного гашения, в случае, когда эти плоскости перпендикулярны.

Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали.

Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью? Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные — щель не пропустит совсем.

А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе — это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные. (рис. 1). 

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

Если мы пропустим шнур через две таких щели, то:

1. Если эти щели будут параллельны друг другу, колебания будут проходить полностью (рис. 2).

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

2. Если щели будут перпендикулярны друг другу, то после второй щели колебания полностью погасятся (рис. 3).

  • Поляризация рассеянного света - в помощь студенту
  • Проверка на опыте поляризованности света, испускаемого различными источниками
  • Проведем опыты, в которых проверим поляризованность света, испускаемого различными источниками света. (учащимся раздаются листы с фотографиями опытов, после проведения наблюдения они должны дописать свои выводы)
  • Опыт 1.
  • Поляризация рассеянного света - в помощь студенту       Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает Опыт 2. Излучение дисплея калькулятора даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту Опыт 3.

Свет дисплея мобильного телефона даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает Поляризация рассеянного света - в помощь студенту Опыт 4. Луч лазера даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

Опыт 5.

Рассеянный свет голубого неба даёт частично поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет незначительно ослабляется Поляризация рассеянного света - в помощь студенту Опыт 6. Свет, отражённый от стекла, поляризован, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает Свет, отражённый от зеркала, неполяризован, т.к. повороте поляризатора на 90 свет не исчезает. Свет поляризуется только при отражении от диэлектрика, при отражении от проводящей поверхности поляризации не происходит

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

Опыт 7. Экран монитора на электронно-лучевой трубке испускает неполяризованный свет. «Погасить» его можно лишь при помощи двух скрещённых поляроидов. Свет, испускаемый телевизором с кинескопом, лампой дневного света, свечой, газовой горелкой, светодиодом также неполяризован.

  1. Поляризация в природе

Свет, испускаемый Солнцем, не имеет какой-либо определенной плоскости поляризации. Однако, проходя через земную атмосферу, солнечный свет претерпевает рассеяние на ее молекулах и других частицах, имеющих размеры меньше длины волны.

Вследствие поперечности световых волн солнечные лучи, рассеянные изотропными молекулами в направлении, нормальном к первоначальному, должны быть линейно поляризованы. В результате каждая точка неба над нами превращается во вторичный источник света, который оказывается уже частично поляризованным.

Степень поляризации света голубого неба сильно различается в разных точках небосвода (от 0 примерно до 80%). При этом ось поляризации (преимущественное направление E) всегда перпендикулярна плоскости треугольника, в вершинах которого находится наблюдатель, Солнце и наблюдаемая точка неба. Зная оси поляризации для двух точек неба, можно найти направление на Солнце.

Очевидно, что направлением на Солнце будет прямая, образованная пересечением двух плоскостей, каждая из которых переходит через наблюдателя и данную точку неба перпендикулярно оси поляризации в этой точке. По-видимому, таким образом и находят направление на солнце насекомые, глаза которых чувствительны к направлению поляризации света.

Различают поляризацию и муравьи, и мухи с пчелами. Не они одни его видят, и некоторые костистые рыбы, и головастики лягушек, кальмары, каракатицы и осьминоги. Зачем им видеть поляризованный свет? Свет, идущий от синего неба, поляризован, и поляризация в любой точке неба зависит от ее положения относительно солнца.

Поэтому пчела может ориентироваться по солнцу, даже если оно закрыто облаками и виден лишь кусочек синего неба: поляризация укажет направление на солнце. Но представить себе кальмара или каракатицу, ориентирующуюся по солнцу, довольно трудно.

Для чего же им нужна такая способность? Для кальмара его поляризационное зрение — все равно что радар, видящий «стелсы»! Шашар с коллегами изучил в поляризационном микроскопе совершенно прозрачных (для человеческого глаза) планктонных животных, на которых охотятся мелкие или молодые кальмары. Оказалось, в поляризованном свете видны не только глаза, но и мускулатура, а также усики-антенны рачков. Не очень хорошо, но видны. И кальмары этим пользуются.

 Применение явления поляризации

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля.

Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45о, например, вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами.

Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) — процесс затемнения идёт сравнительно медленно.

Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс).

Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Для определения концентрации оптически активных веществ (например, сахара) применяют поляриметрию.

Обнаружение на опыте поворота плоскости поляризации света.

Существуют материалы, которые поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Эти вещества называют оптически активными.

К таким веществам относятся, например, кварц, аметист, скипидар, раствор сахара в воде и некоторые другие вещества. Поворачивает плоскость поляризации и обычный скотч.

Угол поворота плоскости поляризации кристаллов очень сильно зависит от длины волны и толщины пластинки d.

Опыт 7.

Кусочек скотча зажат между двумя поляроидами и рассматривается в проходящем свете. Скотч поворачивает плоскость поляризации таким образом, что свет начинает частично проходить сквозь него.

Здесь будет изображение: /data/edu/files/v1453033194.jpg (233×175)

Опыт 8.

Целлофан также поворачивает плоскость поляризации света. Если ось целлофана параллельна оси поляроида, то прошедший свет имеет один цвет, если перпендикулярна, то другой (жёлтый – синий, красный – зелёный). Если сложить целлофан вдвойне, то цвета изменяются. 

Если сложить произвольно несколько кусочков целлофана, получим разноцветную картинку. При повороте поляроида цвета меняются на дополнительные.  Объяснить опыты можно двойным лучепреломлением в целлофане: скорость света и коэффициент преломления зависят от взаимного расположения оптической оси целлофана и плоскости поляризации света. Цвет прошедшего света зависит также и от толщины плёнки. 

Опыты не просто красивы и удивительны. На основе целлофана можно изготовить поляризационные фильтры, которые будут выделять из естественного света какую-либо составляющую, причём при повороте одного из поляроидов будет меняться не только интенсивность прошедшего через поляроиды света, но и его цвет.

Опыт 9.

Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы — линейка (фото 9), коробочка для CD-дисков (фото 10) — помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле анизотропен.

Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать.

Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски

  • Здесь будет изображение: /data/edu/files/z1453033537.jpg (153×142)
  • Исследование с помощью поляризации света распределения механических напряжений

В поляризованном свете удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях.

Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную.

Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) — в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

Опыт 10.  Проделать такое исследование можно самим. Из органического стекла можно вырезать модель крюка для подъёма груза, подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса. Мы сделаем проще: в целлофановом квадрате проделаем дырку, подвесим к ней блок и будем нагружать его грузами. Пронаблюдаем, как в ней меняется распределение напряжений

Подведение итогов. Контроль знаний.

Что такое поляризация? Ответ: одно из волновых свойств света.

Какие источники испускают поляризованный, а какие – неполяризованный свет? Ответ: Жидкокристаллический монитор, дисплей калькулятора, дисплей мобильного телефона, луч лазера испускают поляризованный свет. Телевизор с кинескопом, лампа дневного света, свеча, газовая горелка, солнце испускают неполяризованный свет.

Как можно поляризовать свет? Ответ: С помощью поляризатора. Также свет поляризуется при отражении от поверхности диэлектрика, частично поляризуется при рассеянии (голубое небо).

Как используется явление поляризации? Ответ: для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля, для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, для стереоскопического кино и телевидения, для определения концентрации оптически активных веществ (сахара)

Читайте также:  Историография, источники древней месопотамии - в помощь студенту

Источник: https://xn--j1ahfl.xn--p1ai/library/polyarizatciya_sveta_142434.html

Поляризация света для

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Поляризация рассеянного света - в помощь студентуЭлектромагнитная волна

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой  вероятностью, то такой свет называется естественным.

Поляризация рассеянного света - в помощь студентуПоляризация света

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Поляризация рассеянного света - в помощь студентуЕстественный, поляризованный  и частично поляризованный свет

  • Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.
  • Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.

Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный.  При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.

Поляризация рассеянного света - в помощь студентуПоляризация отражением

  1. Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.
  2. Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.
  3. Линейно поляризованный свет — свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Поляризация рассеянного света - в помощь студентуФото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него

Поляризация — не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.

Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему «поляризация света».

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/polyarizaciya-sveta-dlya-chajnikov-opredelenie-sut-yavleniya-i-sushhnost/

Поляризация: рассеяние и отражение

Физика > Поляризация рассеянием и отражением

Рассмотрите угол поляризации света в момент отражения или рассеяния. Читайте, что такое угол Брюстера при падении света и чему равен, преломление лучей света.

Неполяризованный свет можно поляризовать искусственно и природными явлениями, вроде отражения и рассеяния.

Задача обучения

  • Определить угол отражения полной поляризации, основываясь на показателях преломления.

Основные пункты

  • Если неполяризованный объект оказывается на отражающей поверхности, то вертикально поляризованные аспекты преломляются.
  • При отражении образовывается угол, когда свет полностью поляризован. Его именуют углом Брюстера.
  • Неполяризованный свет может поляризоваться, если рассеивается в воздухе.

Термины

  • Показатель преломления – соотношение скорости света в вакууме и ином материале.
  • Поляризация – создание поляризованного света.

Поляризация отражением

Отраженный свет способен слегка поляризоваться из-за отражения. Многие световые источники формируют неполяризованный свет. Когда он оказывается на отражающей плоскости, то вертикальные поляризованные аспекты преломляются.

Отраженный более горизонтально также поляризуется. Чтобы разобраться, воспринимайте свет, как стрелу, а отражающая поверхность станет мишенью. Если стрела оказалась в цели перпендикулярно (вертикально поляризована), то прилипнет (преломляется).

Если попадет в цель со своей стороны (горизонтально), то отобьется.

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

  • Неполяризованный свет обладает равным количеством вертикальной и горизонтальной поляризации. При контакте с поверхностью вертикальные составляющие впитываются или преломляются, оставляя отраженный свет немного поляризованным
  • Так как свет делится на два пучка, а одна часть преломляется, то величина поляризации отраженного основывается на показателе преломления поверхности. Для вычисления используем формулу:
  • Поляризация рассеянного света - в помощь студенту(θb – угол отражения полной поляризации, n1 – показатель преломления среды, в которой будет проходить отраженный свет; n2 – показатель преломления среды, отражающей свет).

Поляризация рассеянием

Неполяризованный свет способен поляризоваться рассеянием. Световые волны выступают электромагнитными, поэтому будут приводить в вибрацию электроны воздушных молекул, расположенных перпендикулярно направленности перемещения. Далее электроны выпускают лучи, поляризующие также перпендикулярно. Свет выступает параллельным исходящему лучу и полностью поляризуется.

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

Неполяризованное рассеяние встряхивает электроны воздуха перпендикулярно направленности исходящего луча. Поэтому рассеянный свет обладает перпендикулярной поляризацией по отношению к изначальной направленности

Читайте нас на Яндекс.Дзен

Источник: https://v-kosmose.com/fizika/polyarizatsiya-rasseyaniem-i-otrazheniem/

Поляризация при рассеивании света

Рассеянный на неоднородных средах естественный свет в некоторых направлениях является линейно-поляризованным и, наоборот, линейно-поляризованный свет в некоторых направлениях не рассеивается).

В основе этого явления (как и при поляризации света, отраженного под углом Брюстера) лежит природа самой электромагнитной поперечной световой волны, а вовсе не анизотропия и ориентация молекул, что лишь препятствует полной поляризации рассеивания света.

Поляризация при рассеивании – единственный метод поляризации рентгеновского излучения.

ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ

До сих пор мы рассматривали оптические явления в предположении, что интенсивность световой волны никак не влияет на физику явления.

Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность электрического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (109 В/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома.

Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, интенсивность которых достигает электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным показали, что существует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.

Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем некоторые из них.

Вынужденное рассеяние света.

Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепловыми движениями молекул (тепловые акустические волны), рассеивают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности частот световой волны и тепловых акустических колебаний (спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интенсивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10-6.

При увеличении интенсивности падающего излучения выше порогового значения происходит следующее. Под действием электрического тока из-за явления электрострикции возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер.

Возникает акустическая волна давления (гипарзвук, 1010 Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны.

При этом интенсивность сателлитов становится сравнимой с интенсивностью падающей волны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой накачкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых телах.

Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна – рассеяние оптического излучения конденсированными средами (твердыми телами и жидкостями) в результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этих сред. Рассеяние сопровождается изменением частот (длин волн), характеризующих излучение.

Например, рассеяние монохроматического света в кристаллах приводит к появлению шести частотных компонент, в жидкостях — трех (одна из них — неизменной частоты).

Сравнительно сильное взаимодействие между частицами конденсированных сред приводит к распространению по всевозможным направлениям в среде упругих волн различных частот. Наложение таких волн друг на друга появление флюктуации плотности сред, на которых и рассеивается свет.

При указанном рассеянии световые волны взаимодействуют не только с флюктуациями плотности, но и непосредственно с упругими волнами (стоячими волнами).

После создания лазеров появилась возможность наблюдать вынужденно Мандельштама-Бриллюэна рассеяние, сопровождающееся появлением иного сильного гиперзвука.

Применение: в генераторах мощных гиперзвуковых волн в кристаллах [3].

Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние. При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде когерентные колебания молекул, на которых и происходит его рассеяние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частоты падающего света на частоту молекулярных колебаний.

Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой величины около 108 Вт/см2, число компонентов рассеянном излучении настолько возрастает и их интенсивность настолько высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, например, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.

Вынужденное рассеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основном, для исследования структуры и свойств вещества, для изучения нелинейных процессов в средах.

Используется также для накачки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ.

Может использоваться для создания преобразователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолетовой, видимой и особенно инфракрасной областях спектра.

Генерация оптических гармоник. При рассеянии интенсивного лазерного излучения в жидкостях и кристаллах, помимо описанных выше боковых спектральных компонент, обнаруживаются компоненты с частотами, в точности кратными частоте падающего излучения (двукратными, трехкратными и т.д.

), называемые оптическими гармониками. В некоторых кристаллах эти гармоники могут составлять до 50% рассеянного излучения.

Таким образом, если направить красное излучение рубинового лазера (0,69 мкм) на кристалл дигидросфата калия, то на выходе можно получить невидимое ультрафиолетовое излучение (0,345 мкм).

Параметрическая генерация света. Поместим нелинейный кристалл в оптический резонатор и направим на него мощное световое излучение накачки. Одновременно подадим на кристалл два слабых излучения с частотами, сумма которых равна частоте излучения накачки.

При этом в кристалле возникает генерация двух мощных когерентных световых волн, частота которых равна частотам этих двух слабых излучений. В действительности же, кроме волны накачки, нет необходимости ни в каких дополнительных излучениях, т.к.

в кристалле всегда найдутся два спонтанно излучающих фотона с соответствующими частотами. Существенным является то, что при повороте кристалла в резонаторе, частоты генерируемых волн могут плавно перестраиваться, в сумме оставаясь равными частоте волны накачки.

Это позволяет создавать оптические преобразователи, квантовые усилители и генераторы, плавно перекрывающие широкий диапазон излучений от видимого до далекого инфракрасного при фиксированной частоте накачки.

Эффект насыщения. Так называют эффект уменьшения интенсивности спектральной линии поглощения (или вынужденного излучения) при увеличении мощности падающего на вещество внешнего электромагнитного излучения.

Причиной эффекта насыщения является выравнивание населенности двух уровней энергии, между которыми под действием излучения происходят вынужденные квантовые переходы «вверх» (поглощение) и «вниз» (вынужденное излучение).

В случае поглощения при этом уменьшается доля мощности излучения, поглощенного веществом. Абсолютная величина поглощаемой мощности при этом, однако не падает, а увеличивается, стремясь к некоторому пределу.

В случае активного вещества с инверсией населенностей эффект насыщения приводит к уменьшению мощности вынужденного излучения, что ставит предел величине усиления в квантовых усилителях.

Однако эффекту нашли широкое применение в лазерной технике, где он используется для модуляции добротности оптических резонаторов с помощью просветляющихся под действием мощного излучения светофильтров. Кроме того, эффект насыщения используется для создания инверсии населенностей в трехуровневых квантовых системах.

Многофотонное поглощение. Если эффект насыщения делает среду, непрозрачную для слабого светового поля, прозрачной для сильного, то для оптически прозрачных сред может иметь место обратная ситуация. Здесь интенсивное излучение может поглощаться гораздо сильнее, чем слабое.

Некая аналогия фотохромному эффекту, однако механизм совершенно иной. Он состоит в том, что при больших плотностях излучения и элементарном акте взаимодействия света с веществом могут одновременно поглощаться два или несколько фотонов, сумма энергий которых равна энергии перехода.

Эффект многофотонного поглощения используется, в основном, в так называемой многофотонной спектроскопии, дающей дополнительную информацию о строении вещества, недоступную для обычной спектроскопии.

Многофотонный фотоэффект. Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности светового поля ионизация атомов может производить под воздействием излучения, для которого энергия кванта меньше энергии ионизации.

Это объясняется тем, что происходит одновременное поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая аналогия с антистоксовской люминесценцией.

Следует отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величина тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности лазерного излучения.

Эффект самофокусировки. Известно, что первоначально параллельный пучок света по мере распространения в среде (включая и вакуум) расплывается за счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интенсивностях света, пока еще среда остается линейной.

Читайте также:  Эстетика. становление эстетики - в помощь студенту

с увеличением мощности светового пучка его расходимость начинает уменьшаться.

При некоторой критической мощности пучок может распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим самоканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок скачком сжимается к оси и сходится в точку на некотором расстоянии от места входа в среду, ставшую теперь нелинейной.

Происходит процесс самофокусировки. Это расстояние, называемое эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от его диаметра и оптических свойств среды. Открытие эффекта самофокусировки принадлежит Г.А. Аскорьяну.

Физические причины этого эффекта заключаются в изменении показателя преломления среды в сильном световом поле. В это изменение вносит свой вклад также эффекты, как электрострикция, высокочастотный эффект Керра и изменение преломления среды за счет ее нагрева в световом пучке.

Вследствие этих эффектов, среда в зоне пучка становится оптически неоднородной; показатель преломления среды определяется теперь распределением интенсивности световой волны. Это приводит к явлению нелинейной рефракции, т.е. периферийные лучи пучка отклоняются к его оси, в зону с большей оптической плотностью.

Таким образом, нелинейная рефракция начинает конкурировать с дифракционной расходимостью. При взаимной компенсации этих процессов и наступает самоканализация, переходящая в самофокусировку при превышении критической мощности пучка. Процесс самофокусировки выделяется среди прочих нелинейных эффектов тем, что он обладает «лавинным» характером.

Действительно, даже малое увеличение интенсивности в некотором участке светового пучка приводит к концентрации лучей в этой области, а следовательно и к дополнительному возрастанию интенсивности, что усиливает нелинейную рефракцию и т.д.

Отметим, что критические мощности самофокусировки относительно не велики (для ниробензола – 25 квт, для некоторых сортов оптического стекла – 1 вт), что создает реальные предпосылки использования описанного эффекта для передачи энергии на значительные расстояния.

Интересно, что при самофокусировке излучение импульсных лазеров в органических жидкостях пучок после «охлопывания» распространяется не в виде одного пучка, а распадается на множество короткоживущих (10-10 сек.) узких (мкм) областей очень сильного светового поля (около 107 в/см) – световых нитей.

Это явление объясняют тем, что при самофокусировке лазерных импульсов нелинейная среда работает как линза с изменяющимися во времени фокусными расстояниями, и быстрое движение фокусов (скорости порядка 106 м/сек.

) в сочетании с аберрациями «нелинейной линзы» может создать длинные и тонкие световые каналы.

В нелинейной оптике уже обнаружено множество интереснейших эффектов. Кроме описанных выше, к ним относятся такие эффекты как оптическое детектирование, гетеродинирование света, пробой газов мощным излучением с образованием т.н.

«лазерной искры», светогидравлический удар, нелинейное отражение света и другие. Некоторые из эффектов уже нашли применение не только в научных исследованиях, но и в промышленности. Так например, светогидравлический удар применяется при штамповке, упрочнения материалов, для ударной сварки и т.д.

, что наиболее себя оправдывает в производстве микроэлектроники, в условиях особо чистых поверхностей.

Светогидравлический удар.

Эффект заключается в том, что при пропускании мощного лазерного излучения через жидкость в ней возникают акустические волны с высоким давлением, достигающим миллиона атмосфер, сопровождающиеся вспышкой белого света и выбросом жидкости на значительные расстояния, при этом тела, помещенные вблизи удара, подвергались сильным деформациям и разрушению. Точной теории эффекта еще нет, однако уже ясно, что это целый комплекс явлений. Здесь и самофокусировка, увеличивающая интенсивность световой волны в малом объеме, и первоначальное ее поглощение, связанное с ВРМБ (см. 16) и усиленное поглощение света образующейся плазмой, что приводит к возникновению ударной волны и затем к авитации в жидкости. Предварительная фокусировка лазерного пучка и введение в жидкость поглощающих добавок значительно усиливают проявления эффекта.

Нелинейная оптика – новая и постоянно развивающаяся наука. Многообразие ее эффектов далеко не исчерпано известными ныне. Так, совсем недавно были предсказания теоретически гистерезисные скачки отражения и преломления на границе нелинейной среды – целый класс новых эффектов нелинейной оптики. (Данных об экспериментальном подтверждении их существования пока нет.)

Суть эффектов заключается в следующем.

Если под небольшим углом скольжения на границу раздела двух сред с близкими значениями диэлектрической проницаемости, одна из которых нелинейна, падает пучок мощного светового излучения, то при изменении интенсивности излучения (угол падения фиксирования), когда она достигает определенного значения, может произойти скачок от прохождения к полному внутреннему отражению, при обратном изменении интенсивности скачок от ПВО к прохождению произойдет уже при другом ее значении. Такие же скачки могут наблюдаться и при изменении угла падения, когда фиксировано значение интенсивности.

Если существование этих эффектов подтвердится, то они могут быть широко использованы для исследования нелинейных свойств вещества и в лазерной технике.

Так, например, гистерезисная оптическая ячейка может служить идеальным затвором в лазере при генерации гигантских импульсов, т.к.

в режиме ПВО практически не поглощает энергии; с помощью гистерезисных эффектов можно будет с большой точностью измерять интенсивность излучения, фиксируя скачки и т.д.

ЯВЛЕНИЯ МИКРОМИРА

Эффект Просветления – уменьшение скорости резонансного поглощения при увеличении интенсивности подающего на среду электромагнитного излучения.

Величина поглощения определяется в этом случае скоростью процессов релаксации, то есть скоростью с которой возбужденный атом может передавать энергию возбуждения окружающей среде.

Так как скорость релаксации определяется свойствами среды, то с увеличением интенсивности излучения доля поглощаемой в среде энергии уменьшается.

Поляризация рассеянного света - в помощь студенту

Рис. 17.1. Просветляющий фильтр

Применение: в квантовой электронике, где используется для модуляции добротности лазеров

Радиоактивность

Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Процессы, происходящие при естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и свойствах радиоактивных веществ. В настоящее время все большее значение получают процессы, связанные с искусственной радиоактивностью. Практически все вещества имеют радиоактивные изотопы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно его пометить, сделав часть ядер радиоактивными.

Это позволяет с большей точностью следить за перемещением этого вещества или изучать его внутреннюю структуру.

Пример применения:

— способ ускоренного определения годности защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения, при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отличающийся тем, что с целью определения времени проникновения вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизотопы, например, йода, фосфора или серы, и проводят радиометрические измерения исследуемого объекта.

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 212;

Источник: https://studopedia.net/5_16171_polyarizatsiya-pri-rasseivanii-sveta.html

Дисперсия и поляризация света

Дисперсия света в природе

Поляризация света в природе

Свет имеет особое значение для нас и окружающего нас мира. Исследование волн света и их свойств дают возможность углубиться в природу света и наблюдать явления, которые с ним связаны.

Немаловажную роль играют такие явления как поляризация света и дисперсия. Перед тем как приступить к изучению данных явлений, необходимо понять, что именно собой представляет свет.

Определение

С точки зрения физики, свет является совокупностью волн электромагнитного типа и различных значений длины и частоты.

Глаза человека способны воспринимать только те цвета, чья длина волн находится в диапазоне 380 — 760 нм. Прочие разновидности цветов наши глаза не способны увидеть. К таковым, как пример, относятся излучения инфракрасного и ультрафиолетового типа.

В своих работах Исаак Ньютон описывал свет как направленный поток мелких частиц. В дальнейшем физиками было доказано то, что по своей природе свет является волной.

Одновременно с этим версия Ньютона оказалась правильной в некоторых деталях.

Как выяснилось, свет обладает не только волновыми, но также и корпускулярными свойствами, чему ярким подтверждением может послужить такое известное явление, как фотоэффект. Следовательно, потоку света свойственна двойственная природа.

Доступный человеческому зрению белый цвет представляет собой сочетание конкретных волн, каждая из которых обладает собственной энергией фотонов и частотой. Таким образом, белый цвет может быть разложен на разноцветные монохроматические волны. Каждому конкретному цвету будет соответствовать определенный частотный диапазон, длина волн, а также фотонная энергия.

Энергия, которая излучается или поглощается веществом, распределяется с учетом вышеуказанных характеристик, чем и объясняется существование светового спектра в природе.

Дисперсия света в природе

Такое природное явление как переливание лучей на граненых изделиях из стекла оказывается возможным благодаря дисперсии.

Замечание

Под дисперсией подразумевается эффект отражения зависимости показателя преломления, вещества или среды от частоты волны света, которая проходит сквозь объект.

Рост показателя преломления происходит в случае увеличения частоты, либо уменьшения длины волн. Самым известным примером природной дисперсии является радуга, которая создается путем рассеивания лучей солнца при прохождении через множество каплей дождя.

Проходя через призму, поток света распадается на цветовой спектр, который довольно детально был рассмотрен еще Ньютоном. В результате выполненных им исследований в 1672 году была открыта дисперсия.

Стоит отметить, что научный интерес к световым характеристикам проявился еще несколько тысячелетий назад. Еще Аристотелем было обнаружено свойство светового потока — проявлять себя в разных оттенках. Древнегреческий философ указывал на зависимость характера цвета от присутствующего в белом свете «количества темноты». По сути, белый цвет является главным для лучей света.

Исаак Ньютон смог опроверг вышеупомянутую теорию. Он смог доказать, что структурно белый свет является составным, и в его формировании задействованы все цвета спектра света. Он ставил опыты, которые актуальны и в наше время. Как пример, сейчас проводятся такие эксперименты:

  • скрещивание призм;
  • применением зеркала и двух призм;
  • пропуск света через перфорированный экран и призмы.

Свет раскладывается на цветовой спектр из-за различной скорости прохождения волн (частота и длина) через вещество с прозрачными свойствами. Вследствие этого удалось выяснить, что некоторые волны способны выходят из призмы быстрее других. Такой способ помогает осуществить разложение потока света.

Благодаря последующим исследованиям были совершены новые открытия, так или иначе относящиеся к дисперсии. Как пример, французским ученым Леру было установлено нарушение в определенных средах зависимости, которые выражали явление дисперсии. Более тщательно данный вопрос был изучен Кундтом.

В качестве основы для своих исследований Кундт задействовал метод Ньютона с использованием пары скрещенных призм. Однако он внес в данный опыт небольшое изменение — она из призм была заменена на призматический сосуд, который содержал в себе раствор цианида.

Как в итоге оказалось, при прохождении света через призмы показатель преломления не уменьшается, как это демонстрировали опыты Ньютона, а наоборот, растет.

Физику удалось выяснить, что этот парадокс может быть объяснен поглощением света веществом.

В своем опыте он прибегнул к раствору цианида, который был задействован в качестве среды поглощения, а дисперсия для случаев такого типа была названа аномальной.

Сейчас физике данный термин используется крайне редко. В наше время нормальная и аномальная разновидности дисперсии рассматриваются как два явления с единой природой, которые относятся к одному учению.

Поляризация света в природе

Волны электромагнитного типа могут быть разложены на две поляризованные составляющие не как в теоретическом, так и в практическом смысле:

  • горизонтально поляризованные волны;
  • волны, вертикально поляризованные волны.
  • Также не исключены и другие варианты разложений (как пример, на пару составляющих с правой и левой поляризацией кругового типа).
  • Параллельно с этим попытка разложить волну линейно поляризованного типа с учетом круговых поляризаций станет причиной появления двух составляющих интенсивности половинного типа.
  • Замечание
  • Будучи тепловым излучением, солнечный свет не обладает поляризацией, но одновременно рассеянный небесный свет в природе обладает частичной линейной поляризацией, которая также изменяется в момент отражения.

Об оптических постоянных и разновидностях поверхностной структуры можно судить, отталкиваясь от изменений поляризации света при его отражении от поверхности.

Если поляризовать свет рассеянного типа, тогда, за счет использования поляризационного фильтра оказывается возможным ограничение прохождения потока света.

Интенсивность света, который проходит через соответствующие поляризаторы света, подчиняется закону Малюса. На аналогичном принципе основывается работа дисплеев жидкокристаллического типа.

Пример

Некоторые виды насекомых способны распознавать линейную поляризацию света, благодаря которой они превосходно ориентируются в пространстве, а некоторые даже способны различать свет с круговой поляризацией.

В начале девятнадцатого века французский физик Э. Малюс, прибегнув к куску исландского шпата, смотрел на окна парижского дворца, которые блистали вследствие попадания на них лучей солнца. Он обратил внимание на то, что при определенном положении кристалла можно видеть только одно изображение.

Основываясь на этом и ряде других опытов, а также отталкиваясь от положения из корпускулярной теории света, Малюс предположил, что беспорядочная ориентированность корпускулов в солнечном свете является изначальной. Параллельно с этим, при отражении от поверхности они получают конкретную ориентацию. Свет такого типа называют поляризованным.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/dispersiya-i-polyarizaciya-sveta/

Поляризация рассеянного света

Поляризация, так же как поглощение и рассеяние, является процессом, наблюдаемым при взаимодействии между светом и веществом.

Поскольку поляризация возникает при процессах внутреннего отражения и преломления, то она также наблюдается и при более сложном явлении рассеяния. Если /м и — интенсивности излучения, рассеянного параллельно и перпендикулярно плоскости, проведенной через упавший и рассеянный пучки, то общая интенсивность излучения, рассеянного под углом 0, равна

Степень поляризации Р определяется как

Следовательно

Эта формула была выведена Релеем, но она также может быть получена из уравнения Ми. Она справедлива при симметричной форме кривой и условии полной поляризации при 0 = п/2. Электрический вектор совершает колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости наблюдения. Из приведенного выше уравнения следует, что

Это выражение применимо для изотропно рассеивающих центров.

Непосредственно для морской воды уравнения (6.7.4) и (6.7.5) не могут быть применимы. При 0 = п/2 в чистой воде происходит только частичная поляризация. Анизотропность рассеяния можно учесть введением в уравнение (6.7.3) члена, соответствующего интенсивности неполяризованного излучения, рассеянного равномерно по всем направлениям. Тогда

Введем величину 5, характеризующую поляризационный дефект и определяемую выражением

Соответствующие выражения для интенсивности можно записать следущим образом

Согласно положениям теории Ми для сферических частиц, рассеянный свет обычно эллиптически поляризован, даже если падающий пучок поляризован линейно.

Для частиц с размерами, примерно равными длине волны, кривая поляризации Р(0) несимметрична; при увеличении размера частиц на ней появляется ряд нерегулярно чередующихся максимумов и минимумов, которые трудно интерпретировать.

Такая характеристика, как дисперсия поляризации, также не подчиняется очевидной закономерности. Степень поляризации в суспензии зависит, помимо угла, от некоторых характеристик частиц, а именно: а) их состава, вернее, показателя преломления; б) формы и в) размера.

Степень поляризации рассеянного света обычно меньше для крупных частиц, чем для мелких.

Источник: https://studme.org/338915/prochie/polyarizatsiya_rasseyannogo_sveta

Ссылка на основную публикацию