~referat-polarizarea luminii~

Upload: mierlut-simona

Post on 13-Jul-2015

5.516 views

Category:

Documents


40 download

TRANSCRIPT

POLARIZAREA LUMINII

Lumina este o und electromagnetic transversal, cu lungimea de und ntre aproximativ 400 i 750 nm. Vectorul cmp electric al unde luminoase, numit i vector luminos (deoarece determin senzaia de lumin) este perpendicular pe direcia de propagare a luminii. Polarizarea se refera la campului magnetic intr-o unda electromagnetica. O unda al carei camp electric oscileaza vertical sa spune ca avem o poarizare verticala. (idem pt orizontal). Campul electric din undele luminoase ale soarelui vibreaza in toate deci direct lumina soarelui poate fi numita nepolarizata.(figura 3)

Figura 3Se numete plan de polarizare planul, n care oscileaz vectorul . Dispozitivul, cu ajutorul cruia poate fi obinut lumin plan polarizat, este numit polarizator. Proprietatea principal a polarizatorului const n aceea, c el las s treac liber unda electromagnetic, al crui plan de polarizare este paralel cu planul polarizatorului, ns reine complet oscilaiile perpendiculare pe acest plan. Intensitatea luminii polarizate, trecute prin polarizator, variaz n funcie de unghiul dintre planul de polarizare a luminii i planul polarizatorului. O und luminoas elementar, sub forma unui pachet, este emis la dezexcitarea unui atom, care se comport analog unui dipol electric oscilant. Vectorul cmp electric al undei elementare este orientat de-a lungul axei dipolului. Datorit orientrii haotice a dipolilor elementari ce constituie o surs luminoas extins, toate direciile de oscilaie ale vectorului luminos sunt egal probabile. Orice und elementar este polarizat liniar (oscilaiile vectorului cmp electric au loc numai ntr-un plan ce conine direcia de propagare) figura 1b, iar o suprapunere aleatorie de unde elementare constituie lumina nepolarizat (lumina natural) figura 1a. Dac din lumina nepolarizat se atenueaz oscilaiile pe o anumit direcie se obine lumina parial polarizat - figura 1c;direcia de propagare este perpendicular pe planul figurii 1.

Planul n care oscileaz vectorul luminos se numete plan de vibraie, iar planul perpendicular pe acesta i care conine direcia de propagare se numete plan de polarizare. Exist cristale transparente, omogene, dar anizotrope din punct de vedere optic. In astfel de cristale indicele de refracie are valori diferite, n funcie de direcia de oscilaie a vectorului luminos. Exist totui direcii de-a lungul crora viteza de propagare nu depinde de orientarea vectorului luminos. Aceste direcii se numesc axe optice. Cristalele care posed o singur ax optic se numesc uniaxe, iar din acestea fac parte cristale care cristalizeaz n sistemele cubic, hexagonal i romboedric. Una din caracteristicile principale ale cristalelor anizotrope este producerea fenomenului de dubl refracie (sau birefringen), care const n producerea a dou raze refractate, pentru fiecare raz incident: una care respect legile refraciei i se numete raz ordinar (o) i una nerespectnd legile refraciei, numit raz extraordinar (e) figura 2. Planul ce conine axa optic (AA) i raza incident se numete planul seciunii principale. Fa de acest plan, vectorul cmp electric al razei ordinare este perpendicular, iar vectorul cmp electric al razei extraordinare este paralel.

de poate fi pentru luminii liniar din cea prin unei raze sau cea

Fenomenul birefringen folosit obinerea polarizat nepolarizat, eliminarea (cea ordinar

extraordinar). Un astfel de dispozitiv este prisma lui Nicol, numit simplu nicol, care este tiat dintr-un cristal de spat de Islanda sub anumite unghiuri, secionat diagonal i relipit cu balsam de Canada; indicele de refracie pentru raza ordinar a balsamului de Canada are o valoare mai mare dect indicele de refracie a cristalului de spat de Islanda i mai mic pentru raza extraordinar (no>nbalsam>ne) (figura 4). La un unghi de inciden favorabil, raza ordinar se reflect total pe stratul de balsam de Canada, iar cea extraordinar strbate prisma. Se obine astfel o raz de lumin liniar polarizat. Polaroizii sunt straturi transparente pe care s-a depus gelatin n care s-au nglobat cristale fine de herapatit sau turmalin, orientate sub aciunea unui cmp electric intens cu axele optice paralele cu direcia liniilor de cmp magnetic. Aceste cristale au proprietatea de dicroism (raza ordinar este puternic absorbit fa de raza extraordinar). Se consider acum dou dispozitive polarizante identice (polaroizi sau nicoli), ntr-un fascicul de lumin nepolarizat (natural). Lumina care iese din primul dispozitiv, notat cu P n figura 4 i numit polarizor, este (aa cum a fost artat anterior) polarizat liniar. Dac cele dou

dispozitive au planele de polarizare paralele (P1P2 // A1A2), vibraiile lsate s treac de primul dispozitiv sunt lsate i de cel de-al doilea. Rotind al doilea dispozitiv cu un unghi oarecare , acesta va lsa s trec numai componenta E0 cos, unde E0 este amplitudinea primit de dispozitiv. Evident, la o rotaie cu =/2, 3/2, 5/2, al doilea dispozitiv nu las s treac nimic, iar n acest caz spunem c cei doi nicoli sunt aezai n cruce, sau la extincie. Dup cum se poate observa, cel de-al doilea dispozitiv polarizant poate servi la analiza strii de polarizare a luminii, motiv pentru care se mai numete i analizor. Lumina emis de o surs natural este nepolarizat. Se poate obine lumin polarizat prin fenomenul de reflexie i refracie pe suprafaa de separaie dintre dou medii transparente adiacente. Gradul de polarizare al celor dou raze (cea incident i cea reflectat) variaz cu unghiul de inciden. La inciden brewsterian, lumina reflectat este total polarizat, iar cea refractat este parial polarizat, avnd cel mai mare grad de polarizare. Pe baza ecuaiilor lui Maxwell, se poate studia propagarea undelor electromagnetice n sisteme arbitrare. Vom studia fenomenul care are loc atunci cnd o und electromagnetic ajunge

la suprafaa de separare dintre dou medii izolatoare izotrope n care sunt satisfcute relaiile liniare :

De-a lungul acestei suprafee de separare, n absena sarcinilor superficiale, componentele normale ale vectorilor B i D sunt continue, deci: Bn1= Bn2 ; (3) Dn1=Dn2 ; (4) componentele tangeniale ale vectorilor Hi E sunt continue, deci: Ht1=Ht2; (5) Et1=Et2; (6) unde cu indicele 1 s-a notat mrimea corespunztoare n dielectricul 1, iar cu indicele 2 mrimea corespunztoare n dielectricul 2. S notm amplitudinea intensitii cmpului electric cu En unda incident, cu R n unda reflectat i cu E' n unda transmis (unda refractat). Aceste amplitudini le descompunem n componentele E//, R// i E// aflate n planul de inciden i componentele E ,R i E perpendiculare pe planul de inciden (fig. 1, unde n este versorul normalei la suprafaa de separare dintre cele dou medii , iar ni, i ni' ,nr sunt versorii direciilor de propagare ale undelor incident, reflectat i refractat, iar i, i=i i sunt unghiurile de inciden, reflexie i refracie ).

Folosind relaiile (3),(4),(5) i (6), se gsesc componentele amplitudinii cmpului electric din unda reflectat i refractat n funcie de componentele amplitudinii cmpului electric din unda incident ca fiind date de :

Formulele (7-10) sunt formulele lui Fresnel. Pe baza acestor formule, se pot determina i amplitudinile cmpului magnetic, deoarece ntre Hr i Er exist o relaie de proporionalitate. Aceste relaii pot fi deci utilizate pentru a afla fluxul de energie din unda reflectat, respectiv refractat raportat la cel din unda incident ntruct formulele lui Fresnel se verific i n cazul undelor luminoase, este natural s se considere unda luminoas ca o und electromagnetic. Undele luminoase reprezint doar un grup relativ mic al undelor electromagnetice, avnd lungimea de und ntre 4000 i 7000 . A0A0 Raportul dintre componentele cmpului electric din undele reflectate, respectiv refractate i incidente poate fi pozitiv sau negativ. Dac este pozitiv, nseamn c pe suprafaa de separaie nu se produce nici un salt al unghiului de faz; dac este negativ nseamn c ntre cele dou componente la care se refer raportul apare un defazaj de 1800. Semnul rapoartelor se poate studia pe baza relaiilor (7),(8),(9),(10): a) Dac r1< r2 adic i> (r1 i r2 sunt permitivitile electrice relative ale mediilor 1 i 2 ), rapoartele (7) i (9) sunt pozitive i nu apare un defazaj ntre E i E// fa de E i E// . Raportul (8) este negativ, iar raportul (10) pozitiv. n cazul componentei R a undei reflectate aceasta este defazat cu 1800. De asemenea dac i+ > 900, apare un defazaj de 1800 i n cazul componentei R//. b) Dac r1> r2 adic i IP , (In R2, Ip R//2); (15) Pentru o inciden diferit de cea brewsterian, unda reflectat conine, pe lng oscilaiile perpendiculare pe planul de inciden, i oscilaiile paralele la acest plan, dar intensitile lor nu sunt egale i avem o raz parial polarizat. n cazul incidenei normale (i==0), cele dou componente reflectate au intensiti egale; raza reflectat este o raz natural, ca i cea incident. Diferena intensitilor celor dou componente variaz cu unghiul de inciden. Gradul de polarizare al razei reflectate variaz deci cu unghiul de inciden. Drept msur a gradului de polarizare se ia raportul dintre diferena intensitilor celor dou componente i intensitatea total, adic:

Gradul de polarizare al undei reflectate este deci egal cu zero la inciden normal i egal cu unu la inciden brewsterian. n condiiile incidenei brewsteriene, raza refractat cuprinde i oscilaiile perpendiculare la planul de inciden (E), alturi de oscilaiile intense din planul de inciden (E//) care n acest caz nu sufer nici o slbire, n urma fenomenului de refracie. Gradul de polarizare al razei transmise este n general mic. Planul su de polarizare este planul normal la direcia de oscilaie a componentei cu intensitate mai mare (E). Se poate mri gradul de polarizare al luminii transmise prin mrirea numrului de refracii succesive. Energia transportat de und n unitatea de timp, corespunztoare cmpului electromagnetic de direcie bine determinat poate fi msurat cu ajutorul unui dispozitiv (fig. 6) format dintr-un polaroid P care las s treac componentele cmpului electromagnetic ce oscileaz pe o direcie bine determinat (CC), o lentil L ce concentreaz fasciculul de radiaii pe catodul K al unei celule fotoelectrice (n circuitul acesteia sunt conectate o surs de alimentare E i un instrument de msur), fotocelula i circuitul electric.

Intensitatea fasciculului care cade pe fotocelul este proporional cu ptratul amplitudinii cmpului electric: ICC = K E20 CC , (17) unde E0 CC este amplitudinea medie n timp a componentei cmpului electric paralel cu CC dup care oscileaz cmpul electric n unda transmis de polaroid. ICC este indicaia instrumentului de msur. Dac pe polaroid se trimite un fascicul de lumin natural (fig. 1a), n urma rotirii acestuia n jurul direciei de propagare a luminii (notat BB n figura 2), perpendicular pe planul figurii 3a instrumentul de msur nu indic nici o variaie a intensitii ICC a curentului. Dac pe polaroid se trimite un fascicul de lumin parial polarizat (fig. 1c), la rotirea acestuia n jurul direciei de propagare a luminii ( BB) cu 3600, curentul n circuitul exterior al celulei fotoelectrice va avea de dou ori valoarea maxim (pentru direcia CC - fig. 1) i de dou ori valoarea minim (pentru direcia C2C2, perpendicular pe CC). Dac lumina incident este polarizat total (figura 1b), minimele sunt nule. Conform relaiei (16), gradul de polarizare este:

unde IM= K R2 i Im= K R//2 pentru lumina reflectat. (n cazul luminii refractate IM = K E// 2 , Im = K E 2). Pentru lumina natural gradul de polarizare P = 0, iar pentru lumina liniar polarizat (total polarizat), P = 1. n cazul luminii parial polarizate, 0 < P < 1. Studiul variaiei gradului de polarizare a luminii n funcie de unghiul de inciden pe o suprafa de separaie prin fenomenul de reflexie i refracie se poate face cu dispozitivul din figura 7.

Colimatorul C transform fasciculul de raze ce vine de la sursa S ntr-un fascicul de raze paralele. Acest fascicul este trimis pe o lam LL cu fee plan paralele, din sticl. Razele reflectate sunt trimise pe receptorul descris n figura 2; acest receptor se poate roti n jurul discului D divizat n 3600. Astfel pot fi cunoscute unghiurile de inciden, reflexie i refracie. Aparatele ce permit msurarea unghiului de rotaie a planului de polarizare, consecutiv trecerii luminii polarizate printr-o substan optic activ, se numesc polarimetre (fig.8).

Polarimetrul este un dispozitiv alctuit n principal din dou prisme nicol dispuse coaxial, ntre cei doi nicoli fiind aezat tubul polarimetric ce conine soluia optic activ (fig.10). Sursa de lumin monocromatic- o lamp de sodiu- produce un fascicul divergent, transformat n fascicul paralel de lentil colimator LC. Lumina strbate nicolul polarizator onbinndu-se un fascicul de lumin liniar polarizat. Nicolul analizator, montat ntr-un tub, se afl la o distan de circa 30 i se poate roti n jurul axei cu 3600. Analizorul este solidar cu un tambur gradat (0-1800), iar un sistem vernier permite citirea diviziunilor de grad.

Fig.10. schema polarimetrului: S-sursa de lumin monocromatic; L.C.- lentil colimator; Ppolarizor; C-cuv; F- ferestre; A- analizator; T- tambur gradat

Se consider acum cazul a doi nicoli aezai coaxial. Poziia axelor optice ale celor doi nicoli, una n raport cu cealalt, genereaz urmtoarele situaii: a) Dac axele optice ale celor doi nicoli sunt paralele ntre ele, lumina polarizat care iese din polarizor trece prin analizor i iese aproape n totalitate, producnd o raz emergent de intensitate maxim. Cmpul polarimetrului are luminozitate maxim (fig.11, caz A). b) Dac axele optice ale nicolilor sunt perpendiculare ntre ele, lumina polarizat care iese din polarizor se stinge n analizor. n acest caz raza care ptrunde n analizor produce numai o raz ordinar, deoarece are numai oscilaii perpendiculare pe planul seciunii principale a analizorului i, dup cum tim, raza ordinar format n nicol sufer o reflexie total i absorbit n nicol. Cmpul polarimetrului va fi ntunecat (fig.11, caz C). c) Dac axele optice ale nicolilor fac ntre ele un unghi diferit de 00 sau de 900, raza care iese din analizor are o intensitate mai redus (fig.11, caz B).

Fig.11. imaginile posibile ale cmpului polarimetric

Se presupune acum c ntre cei doi nicoli, aezai ca la punctul b), se introduce o prob optic activ, lichid sau n soluie, plasat ntr-o cuv cilindric cu dou ferestre plan-paralele. Prezena substanei optic active va determina rotirea cu un anumit unghi al planului de polarizare al luminii astfel nct acesta, deviat de la direcia iniial, nu se va mai stinge n analizator i cmpul polarimetrului se va ilumina. Pentru refacerea situaiei existente la extincie, nicolul analizor se rotete n jurul axei sale cu un unghi , pentru a compensa deplasarea determinat de substana optic activ. n concluzie, unghiul reprezint de fapt unghiul cu care substana optic activ a rotit planul luminii polarizate.

Bibliografie ***- http://physics.phys.tuiasi.ro (vizualizat decembrie 2011) ***-http://lumina.wikidot.com(vizualizat decembrie 2011) ***- http://cadredidactice.ub.ro(vizualixat decembrie 2011)