Polaryzacja, interferencja i dyfrakcja światła
advertisement
W-21 (Jaroszewicz) 16 slajdów Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego Optyka falowa polaryzacja czym jest zjawisko polaryzacji stan a stopień polaryzacji sposoby polaryzacji dwójłomność optyczna przyczyny mikroskopowe zastosowania Polaryzacja światła z E B x Fala EM jest spolaryzowana gdy wektory E i B mają ustalony kierunek w przestrzeni y polaryzacja liniowa – wektor E drga w jednym kierunku polaryzacja kołowa – wektor E zatacza koła Polaryzacja jest zjawiskiem, które występuje tylko dla fal poprzecznych Kierunek polaryzacji to kierunek drgań wektora E Światło wysyłane przez wiele źródeł – atomów jest niespolaryzowane – składa się z wielu różnych kierunków polaryzacji E światło niespolaryzowane jest superpozycją dwóch fal spolaryzowanych wzajemnie prostopadle D. Goldstein: Polarized Light, Marcel Dekker Inc., New York, 2003 Polaryzacją nazywamy wektorową naturę światła → → → r , t exp i ϕ r , t → → Ψ r , t = A → → sens fizyczny → → Re[ Ψ r , t ] => → → → → → → Ψ r , t = E r , t lub H r , t Dla fali plaskiej → → → → → → → w kierunku ' z ' E r , t ≡ A r , t e cos(ωt + k ⋅ r ) → E r , t ≡ Et cos(ωt − kz ) Stan polaryzacji - SOP Azymut θ – kąt pomiędzy dużą osią elipsy, a kierunkiem osi 0x, Kąt eliptyczności ε – którego tangens jest stosunkiem długości małej do dużej półosi elipsy polaryzacji ε=tg(b/a) Amplituda drgania elektrycznego R- która charakteryzuje ‘wielkość’ drgania elektrycznego, jej kwadrat jest proporcjonalny do gęstości energii w danym punkcie pola: R=(a2+b2)1/2 Stopień polaryzacji - DOP [M. Born, E. Wolf, Principle of Optics, Pergamon NY, 1968] I I0 IP IP P= I0 natężenie części spolaryzowanej wiązki świetlnej całkowite natężenie wiązki świetlnej kąt polaryzatora Światło: - Całkowicie spolaryzowane P=1, - Częściowo spolaryzowane P<1, - Zdepolaryzowane P=0 SPOSOBY POLARYZACJI fala spolaryzowana równolegle ODBICIE α 900 β fala spolaryzowana w płaszczyźnie padania Dwie składowe wektora E padającej fali: •prostopadła do płaszczyzny padania , •leżąca w płaszczyźnie padania. Jeśli α+β=90, to fala całkowicie spolaryzowana. Kąt Brewstera Jeśli α+β=90, to n=sinα/sinβ=sinα/sin(90-α) POLARYZATORY Fala padająca Epad E polaryzator: metalowe pręty (mikrofale, fale radiowe) długie cząsteczki (światło) Fala przepuszczona odbita jest n = tgα oś polaryzatora – linia prostopadła do prętów E=Epad+Epręty=0 Fala wytworzona przez prąd Epręty= -E Fala przepuszczona =fala padająca Wygaszenie lub przepuszczenie fali jest wynikiem interferencji fali padającej i wytworzonej w materiale polaryzatora PRAWO MALUSA Fala padająca Epad pod kątem do osi polaryzatora Ezatrzym Epad I = Imcos2θ θ Przepuszczona tylko składowa równoległa do osi polaryzatora polaryzator analizator Eprzep Eprzep=Epad cosθ Prawo Malusa – natężenie światła spolaryzowanego po przejściu przez analizator optyczny jest proporcjonalne do kwadratu cosinusa kąta pomiędzy płaszczyznami polaryzacji światła przed i po przejściu przez analizator (reguła kwadratu cosinusa) SKRĘCENIE PŁASZCZYZNY POLARYZACJI polaryzator fala zupełnie wygaszona Zwiększenie ilości płytek polaryzacyjnych nie zmienia kąta skręcenia, lecz zwiększa natężenie przepuszczonej (i skręconej) fali 1.00 0.98 Eprzep=Epad cosn (θ/n) 0.96 0.94 0.92 0 5 10 15 20 część fali przechodzi Możliwe jest skręcenie płaszczyzny polaryzacji fali WYŚWIETLACZE CIEKŁOKRYSTALICZNE Ciekłe kryształy to stan pośredni miedzy cieczą, a kryształem • cząsteczki mogą znajdować się w zupełnie przypadkowych położeniach (jak w cieczy) • są zorientowane jedne względem drugich (uporządkowanie jak w kryształach). ) Takie własności wynikają z wydłużonego kształtu molekuł przy jednocześnie małej T, dzięki czemu lokalny porządek nie jest niszczony przez fluktuacje termiczne Częściowo roztopione mydło jest ciekłym kryształem Ciekłe kryształy mają unikalne własności fizyczne. y E z x E x Po przejściu przez ciekły kryształ płaszczyzna polaryzacji fali jest skręcona, lecz fala nie jest osłabiona Dwójłomność Jest to własność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje dla których zjawisko zachodzi nazywamy substancjami dwójłomnymi. Zjawisko dwójłomności odkrył w 1669 roku Rasmus Bartholin, zaś wyjaśnił Augustin J. Fresnel w pierwszej połowie XIX w wieku. Dwójłomność wykazuje wiele substancji krystalicznych, a także wszystkie ciekłe kryształy. Przykładami substancji dwójłomnych mogą być kryształy rytylu i kalcytu. Terminem tym określa się także różnice między współczynnikiem załamania promienia nadzwyczajnego ne, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego no. ∆n= ne - no Dwójłomność - wyjaśnienie Zjawisko wynika z faktu, że substancja jest anizotropowa, co oznacza że współczynniki przenikalności elektrycznej ε i wynikająca z niego prędkość światła, stąd współczynnik załamania światła, w krysztale zależą od kierunku drgań pola elektrycznego fali elektromagnetycznej (polaryzacji fali). W krysztale takim istnieje oś optyczna - kierunek w którym światło biegnąc nie rozdziela się na dwa promienie, ponieważ prędkość światła jest taka sama dla wszystkich możliwych polaryzacji fali biegnącej w tym kierunku. Kierunek tej osi nie zależy od kształtu kryształu. Istnieją kryształy jedno i dwuosiowe. Promień zwyczajny i nadzwyczajny fala spolaryzowana równolegle ODBICIE α 900 β fala spolaryzowana w płaszczyźnie padania W krysztale jednoosiowym podczas załamania promień wchodzący do kryształu rozdziela się na dwa, jeden z nich jest to promień zwyczajny, spełnia on prawo Snelliusa, leży on w płaszczyźnie padania, oznaczany jest symbolem o (ang. ordinary). Dla tego promienia kierunek drgań pola elektrycznego jest prostopadły do jego płaszczyzny głównej. Drugi promień to promień nadzwyczajny, nazywa się go tak, bo w ogólności nie spełnia on prawa Snelliusa, oznacza się go przez e (ang. extraordinary). Promień ten nie musi leżeć w płaszczyźnie padania, może się także załamać, gdy promień pada prostopadle do powierzchni kryształu. To w jaki sposób zmieni on kierunek przy takim padaniu, zależy od kierunku osi optycznej w krysztale. Nie załamie się kiedy oś optyczna jest prostopadła lub równoległa do powierzchni na którą pada promień. Dla promienia nadzwyczajnego kierunek drgań pola elektrycznego jest równoległy do jego płaszczyzny głównej. Warto zauważyć, że ponieważ płaszczyzny główne obu promieni mogą być inne, polaryzacje obu promieni nie muszą być do siebie prostopadłe. W krysztale dwuosiowym oba promienie zachowują się jak promienie nadzwyczajne. Dwójłomność – przyczyny mikroskopowe Istnienie dwójłomności osi optycznej w krysztale wynika z jednakowego kierunku ustawienia jego anizotropowych cząsteczek. Cząsteczki takiego kryształu mają zazwyczaj wydłużony kształt i ułożone są w krysztale regularnie. W takim ujęciu oś optyczna jest to kierunek osi symetrii tych cząstek. Zjawisko dwójłomności może się także pojawić pod wpływem czynników zewnętrznych, jak pole elektryczne (elektrooptyczne zjawisko Kerra), pole magnetyczne (zjawisko Faradaya), fala elektromagnetyczna (optyczne zjawisko Kerra). Wynika to z faktu, że anizotropowe cząsteczki nie są ułożone regularnie, ale mogą posiadać ładunki na swoich końcach (są dipolami), wtedy pod wpływem pola elektrycznego układają się odpowiednio do niego, zjawisko wykorzystywane jest w ekranach LCD. Nieuszeregowane cząsteczki mogą być także uporządkowane pod wpływem ściskania lub rozciągania materiału (tak jak prostują się pozwijane nitki kiedy są rozciągane). WYŚWIETLACZE CIEKŁOKRYSTALICZNE Nie spolaryzowane światło Polaryzator Płytka szklana z nacięciami Oś ciekłych kryształów wzdłuż nacięć Ciekłe kryształy Starają się ustawić równolegle do siebie Płytka szklana z nacięciami Oś ciekłych kryształów wzdłuż nacięć Analizator Kierunek osi ciekłego kryształu może być zmieniany przez zewnętrzne pole elektryczne WYŚWIETLACZE CIEKŁOKRYSTALICZNE Nie spolaryzowane światło Włączenie napięcia powoduje, że osie ciekłych kryształów ustawiają się równolegle do pola elektrycznego ciekłe kryształy nie skręcają płaszczyzny polaryzacji Brak napięcia światło przechodzi Przyłożenie napięcia światło nie przechodzi
