Исследование изменения состояния поляризации лазерного излучения при распространении в растворах

 

 

Министерство образования и науки  Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение        высшего профессионального образования

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕТРОНИКИ (ТУСУР)

 

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧ и КР)

 

 

Исследование изменения состояния поляризации лазерного излучения при распространении в растворах

Пояснительная записка к производственной практике

 

 

                                                                                                                         

                                                                                                      Студент гр. з-19

 

                                                                                           _______    А.В. Ломов.

 

 

                                                                                          Руководитель

                                                                                Профессор каф. СВЧ и КР

 

                                                                                     _______ В.М. Шандаров

2015г.

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка к учебно-исследовательской работе 22 с., 8 рис., 3 табл., 5 источников.

Исследование изменения состояния поляризации лазерного излучения при распространении в растворах

Целью работы является исследование изменения интенсивности фототока при изменении угла поляризации.

ФОТОМЕТРИЯ, СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ, СПЕКТРОСКОПИЯ,

ЗАКОН МАЛЮСА

Пояснительная записка к производственной практике «Исследования изменения состояния поляризации лазерного излучения при распространении в растворах».

В процессе выполнения практики был произведен аналитический обзор литературы по методам исследования изменения поляризации лазерного излучения при распространении в растворах.

Произведены эксперименты с чистой водой и разными растворами сахара на экспериментальной установке.  

Пояснительная записка к производственной практике выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образование учреждения высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра Сверхвысокочастотной и Квантовой Радиотехники

(СВЧ и КР)

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой СВЧ и КР

________ С.Н. Шарангович 

“____” ___________ 2015 г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на производственную практику студенту гр. з-19

заочно-вечернего факультета

Ломову Александру Владимировичу

Срок практики: с 16.02.2015 по 15.03.2015 гг.

 

1.Тема работы: Исследование изменения состояния поляризации лазерного излучения при распространении в растворах.

2.Срок сдачи законченной работы  “     “ _________ 2015г.

3.Цель работы: Исследование интенсивности фототока при изменении угла поляризатора.

4.Рекомендуемая  литература:

4.1.ГОСТ 21.1101-2013 СПДС Основные требования к проектной и рабочей документации.

   4.2.Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). –2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. –272с.

   4.3.Производственная практика Учебно-методическое пособие / Соколова Ж. М. - Томск: ТУСУР, 2012. – 34  с.

 

 

 

 

В пояснительной записке должны быть приведены все материалы исследований в соответствии с заданием и методическими указаниями и должны содержаться разделы:

- реферат;

- Вводная часть;

- результаты экспериментальных  исследований;

- обсуждение полученных  результатов;

- список литературы;

- заключение.

 

Дата выдачи задания                    "   "                 2015 г.

 

Руководитель работы                  ______________/ В.М. Шандаров /

 

Подпись студента                       ______________/ А.В.Ломов/

 

Содержание……………………………………………………………..………..5                                                                             

 Введение.................................................................................................................6

1.Поляризация света и  закон Малюса……...……………………………………8

2.Экспериментальная часть…..............................................................................16

    2.1. Описание установки……………………………………………………...16

    2.2. Эксперимент………………………………………………………………17

Заключение………….…………………………………………………….…….21

Список литературы…………………………………………………………….22

 
ВВЕДЕНИЕ

Оптические методы анализа являются важнейшим разделом спектроскопии,        использующейся в научных исследованиях, в любой отрасли промышленности, в космических исследованиях. Спектроскопические методы анализа основаны на способности атомов и молекул, поглощать или рассеивать электромагнитное излучение. Изменение    интенсивности         электромагнитного        излучения       после взаимодействия   с веществом  связано с  качественным и количественным составом вещества, что   обуславливает     широкое    распространение   и интенсивное развитие методов спектроскопии  в анализе.[1] 

 К оптическим методам  анализа относят физико-химические  методы, основанные на взаимодействии  электромагнитного излучения с  веществом. Это взаимодействие приводит  к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально  в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного  излучения.  Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа.  

В аналитической химии часто приходится сталкиваться с определением малых количеств (следов) веществ. Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долями процента. Содержание такого количества вещества невозможно определить химическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методы анализа. Наибольшее распространение имеет абсорбционный анализ, который может выполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией.

К оптическим методам относятся турбодиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении и рассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества, а также флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением, и др.

В методах атомной спектроскопии мы имеем дело с узкими линейчатыми спектрами, а в методах молекулярной спектроскопии – с широкими слабоструктурированными спектрами. Это определяет возможность их применения в количественном анализе и требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре – спектральным приборам.[2]

Целью данной работы является изучение явления поляризации света, сопоставимость результатов с теоретическим расчетом и показать справедливость закона Малюса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Поляризациия  света и закон Малюса.

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического E  и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора - вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 1 а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Рис.1 Колебания светового вектора в а-естественном свете, б-частично поляризованном свете и в-полностью поляризованном свете.

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

Плоскость, проходящая через направление колебаний вектора и направление распространения  поляризованной волны, называется плоскостью поляризации (рис. 2). [3]

Рис. 2 Распространение плоско поляризованного света.

Степень поляризации определяется отношением

K=(I max – I min) / (I max +I min),           (1)

 где I max и I max – максимальная и минимальная интенсивность света в двух взаимно перпендикулярных направлениях вектора   (см. рис. 1). Например, для естественного света I max = I min, а для линейно поляризованного             I min =0.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы (их анизотропия известна). Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис. 3).

Рис.3. 

Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т1, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО'. Вращая кристалл Т1 вокруг направления луча, никаких изменении интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

I =Io∙ cos² a,                      (2)

где I0 и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при a = p/2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при a = 0 (оптические оси пластинок параллельны). Однако, как это следует из рис. 4, амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку T2 будет меньше амплитуды световых колебаний E0, падающих на пластиду Т1.

E=Eₒcos а                      

Рис.4.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (2).

Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 3 это направление показано стрелкой AB), т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина. На рис. 3 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и А'В' перпендикулярны друг другу. В данном случае T1 пропускает колебания, направленные по АВ, a T2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит. [3]

Пластинка Т1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол а, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I0 = 1/2Iест из второго, согласно (2), выйдет свет интенсивностью I = I0cos2a. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

           (3)

 откуда Imax = 1/2 Iест (поляризаторы параллельны) и Imin = 0 (поляризаторы скрещены).

 

Поляризация света происходит не только при прохождении его через поляризатор, но и при отражении и преломлении направленного пучка света границей двух диэлектрических сред. Например, при прохождении направленного пучка света через стеклянную пластинку одна часть пучка отражается, другая преломляется и распространяется в стекле (рис. 5).

Рис.5.

Как показывает опыт, отраженные и преломленные лучи всегда частично поляризованы. Степень поляризации всегда зависит от угла падения пучка света и коэффициента отражения и преломления среды. Согласно закону Д. Брюстера, отраженный луч полностью поляризован, если угол падения a и показатель преломления отражающей среды n связаны соотношением

tg a = n                              (4)

 При этих  условиях свет, отраженный от  стеклянной пластинки, плоскополяризован  и имеет световой вектор. Преломленный  под углом β свет поляризован частично.