Khảo sát sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng

Mở đầu Sự truyền ánh sáng trong môi trờng dị hớng quang học đã đợc phát hiện và nghiên cứu từ rất lâu. Ta biết rằng khi ánh sáng chiếu vào tinh thể thì nó bị tách thành hai tia, một tia gọi là tia thờng và tia còn lại là tia bất thờng. Để giải thích đợc vấn đề này thì ta phải thừa nhận ánh sáng là sóng điện từ. Dựa vào khẳng định trên đã đợc nhiều công trình nghiên cứu làm sáng tỏ nh sự quay mặt phẳng phân cực trong từ trờng của Faraday, hiện tợng Ker . Trên cơ sở những nghiên cứu này, một ngành khoa học mới đã xuất hiện đó là ngành quang học nuôi tinh thể. Kết quả của nó là tạo ra đợc các tinh thể đơn trục, lỡng trục có hệ số điện quang và từ quang thích hợp đợc đa vào ứng dụng cho việc chế tạo các thiết bị điều biến cơ - quang, điều biến điện - quang trong hệ thống thông tin quang. Trong chơng trình học, việc nghiên cứu sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng do từ trờng về mặt thực nghiệm cha đợc đề cập đến mà mới chỉ đề cập về mặt lý thuyết. Nhằm mục đích tìm hiểu một cách tổng quát về mặt lý thuyết và khảo sát thực nghiệm, trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề Khảo sát sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng . Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đợc chia làm ba chơng: Chơng 1: Sự phân cực ánh sáng khi truyền qua tinh thể. Nội dung của chơng này trình bày một cách khái quát về ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực đồng thời dựa vào hiện tợng lỡng chiết ta đi khảo sát các hiện tợng nh sự phân cực e líp, sự giao thoa của ánh sáng phân cực. Chơng 2: Sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng. Trong chơng này tôi trình bày lý thuyết về hiện tợng quay mặt phẳng phân cực ánh sáng và ảnh hởng của điện trờng, từ trờng lên góc quay mặt phẳng phân cực ánh sáng. 1 Chơng 3: Khảo sát thực nghiệm về sự quay mặt phẳng phân cực do từ trờng (Hiệu ứng Faraday). Dựa vào lý thuyết ở trên chúng tôi đi tiến hành đo các đại lợng nh: từ trờng giữa hai cực của nam châm, đo góc quay mặt phẳng phân cực ánh sáng. Vinh, tháng 5/ 2006 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh Lan Tài liệu tham khảo 2 [1]. Quang học - Huỳnh Huệ - NXBGD - 1986 [2]. Quang học - Ngô Quốc Quýnh - Lê Thanh Hoạch - NXBGD - 1982 [3]. Điện học - Vũ Thanh Khiết - NXBGD - 1989 [4]. Tài liệu hớng dẫn thí nghiệm vật lý đại cơng. Bản tiếng anh . Hãng Leyboyed - CHLB Đức Mục lục Trang Lời mở đầu. Chơng I. Sự phân cực ánh sáng khi truyền qua các môi trờng 1 I. ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực 1 1. Định luật Maluýt 1 2. ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực. 2 II. Hiện tợng lỡng chiết - sự phân cực do lỡng chiết 5 1.Tính chất lỡng chiết của tinh thể. Tia thờng và tia bất thờng. 5 2. Một vài tính chất của tia thờng và tia bất thờng 6 3. Tia thờng và tia bất thờng trong tinh thể đơn trục. 8 III. ánh sáng phân cực elíp 10 1. Cách tạo ánh sáng phân cực elíp 10 2. Các trờng hợp đặc biệt 12 IV. Giao thoa của ánh sáng phân cực 14 Chơng II. Sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng. 19 I . ảnh hởng của điện trờng 19 1. Thí nghiệm. 19 2. Giải thích 20 II. Sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng 21 1. Hiện tợng quay mặt phẳng phân cực 21 2. Góc quay mặt phẳng phân cực. 22 3. Giải thích hiện tợng 23 3 III. Phân cực quay do tác dụng của từ trờng (hiệu ứng farday). 25 1. Thí nghiệm 26 2. Giải thích. 27 Chơng III. Khảo sát thực nghiệm về sự quay mặt phẳng phân cực do từ trờng (hiệu ứng Faraday) 30 1. Mục đích thí nghiệm. 30 2. Thiết bị 30 3. Sơ đồ thí nghiệm. 30 4. Tiến hành thí nghiệm. 32 Kết luận Tài liệu tham khảo chơng I sự phân cực ánh sáng khi Truyền qua các môi trờng I.ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực 1.Định luật Maluýt Tính chất ngang của sóng ánh sáng đã đợc phát hiện từ trớc khi có thuyết điện từ ánh sáng, tuy nhiên bản chất của hiện tợng thì cha rõ.Ta đi khảo sát thí nghiệm sau đây: Thí nghiệm gồm hai bản tuamalin T 1 ,T 2 (tuamalin là chất trong suốt có cấu tạo dạng tinh thể không đối xứng) mỗi bản tuamalin có một phơng đặc biệt, bản chỉ cho ánh sáng có véctơ cờng độ điện trờng E song song với phơng đó truyền qua. Trục có phơng song song với phơng đó đợc gọi là trục quang học của bản Tuamalin. 4 Để đo cờng độ ánh sáng ngời ta rọi chùm ánh sáng trắng vuông góc vào mặt bên của bản tuamalin T 1 có quang trục 1 song song với hai mặt bên, sau T 1 ta quan sát thấy có ánh sáng ló ra. Khi quay T 1 xung quanh phơng truyền thì cờng độ sáng thu đợc là không đổi. Sau T 1 ta tiếp tục đặt bản Tuamalin T 2 có quang trục 2 song song với hai mặt bên. Cố định bản T 1 và quay bản T 2 xung quanh phơng truyền thì cờng độ sáng sau bản T 2 biến đổi tuần hoàn phụ thuộc vào góc hợp bởi quang trục 1 , 2 : ( ) 21 , = của các bản T 1 , T 2 . Gọi I 1 , I 2 là cờng độ sáng sau khi ra khỏi các bản T 1 ,T 2 . Giá trị của I 2 phụ thuộc vào phơng của các quang trục 1 , 2 . Tại các vị trí 2 // 1 thì cờng độ sáng I 2 đạt giá trị cực đại: I 2 = I max =I 0 . Tại vị trí: 2 1 thì I 2 =I min = 0. Tại vị trí quang trục 1 hợp với 2 một góc thì I min I 2 I max . 5 Hiện tợng nói trên là không đổi khi ta cố định bản T 2 và quay bản T 1 .Theo Maluýt : Cờng độ ánh sáng sau khi đi ra khỏi bản Tuamalin T 2 tỉ lệ với bình phơng cosin góc hợp bởi hai quang trục 1 , 2 . I 2 =I 1 cos 2 (1) Công thức (1) biểu diễn nội dung định luật Maluýt. 2. ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực . Để giải thích thí nghiệm trên chúng ta thừa nhận rằng: Sóng ánh sáng là sóng ngang. Nghĩa là phơng dao động của véctơ E luôn vuông góc với ph- ơng truyền. Bản Tuamalin chỉ cho những ánh sáng nào có phơng của véctơ E song song với phơng quang trục đợc truyền qua. ánh sáng tới có véctơ E dao động theo mọi phơng vuông góc với phơng truyền. Do đó khi quay bản T 1 thì luôn có véctơ E song song 1 đợc truyền qua. Vì vậy cờng độ sáng sau khi qua khỏi bản T 1 là không đổi I 1 = const. Các ánh sáng có véctơ E phân bố đều đặn theo mọi phơng vuông góc với phơng truyền đuợc gọi là ánh sáng tự nhiên. Ngời ta biểu diễn ánh sáng tự nhiên bằng cách vẽ trong mặt phẳng đặt vuông góc với phơng truyền sóng các véctơ cờng độ điện trờng E phân bố đều đặn xung quanh phơng truyền. Khi chiếu ánh sáng qua các bản Tuamalin ta thu đựơc ánh sáng có véctơ E dao động theo một phơng xác định. ánh sáng đó gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay phân cực hoàn toàn . Ta biểu diễn ánh sáng phân cực thẳng bằng cách vẽ trong mặt phẳng đặt vuông góc với phơng truyền một véctơ dao động sáng E . 6 ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực thẳng Gọi biên độ dao động sáng sau khi ra khỏi bản T 1 là E 1, tới bản T 2 phân tích E 1 thành hai thành phần: E 1 , E 1// E 1 vuông góc với 2 , E 1// song song với 2 . Sau khi qua bản T 2 thành phần E 1 vuông góc với 2 bằng không . Từ hình vẽ ta có : E 1// = E 2 =E 1 cos Suy ra cờng độ sáng sau khi ra khỏi bản T 2 I = E 2 2 = E 1 2 cos 2 = I 1 cos 2 Đây chính là công thức (1). Mặt phẳng chứa phơng truyền sóng và véc tơ dao động sóng E thì đợc gọi là mặt phẳng dao động. Còn mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng dao động và chứa phơng truyền sóng đợc gọi là mặt phẳng phân cực. (Mặt phẳng phân cực và mặt phẳng dao động luôn vuông góc với nhau). Trong một số trờng hợp ngời ta vẫn nhận thấy tinh thể cho ánh sáng có véctơ E dao động theo mọi phơng đợc truyền qua, nhng có phơng dao động mạnh, phơng dao động yếu. ánh sáng sau khi ra khỏi bản tinh thể đó đợc gọi là ánh sáng phân cực một phần . 7 Vậy hiện tợng biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực (một phần hay hoàn toàn) gọi là hiện tợng phân cực ánh sáng. ánh sáng phân cực đợc đặc trng bằng độ phân cực P. Theo định nghĩa: P = I y _ I x I y + I x Trong đó I là cờng độ của tổng các thành phần theo các phơng x,y trong hệ toạ độ oxy và thờng đợc chọn sao cho I x < I y. Đối với ánh sáng tự nhiên thì cờng độ sáng theo mọi phơng là nh nhau: I x = I y suy ra P = 0 . đối với ánh sáng phân cực hoàn toàn I x = 0 thì P = 1. Đối với ánh sáng phân cực một phần 0 <I x < I y thì 0<P<1. II. Hiện tợng lỡng chiết - sự phân cực do lỡng chiết 1.Tính chất lỡng chiết của tinh thể. Tia thờng và tia bất thờng. Khi cho một tia sáng truyền qua một số tinh thể chẳng hạn đá băng lan,thạch anh, mi ca . ngời ta nhận thấy khi truyền ở trong tinh thể tia sáng bị tách thành hai tia. Hiện tợng này gọi là hiện tợng lỡng chiết. Để nghiên cứu hiện tợng ta xét sự lan truyền ánh sáng trong tinh thể đá băng lan.Tinh thể đá băng lan có dạng hình hộp mà 6 mặt là hình thoi góc 8 lớn bằng 101 0 08 góc bé là 78 0 52. Hai đỉnh A, A đều có 3 góc là các góc tù A = 101 0 08, 3 góc tại đỉnh D là 3 góc nhọn D= 78 0 52. Thực nghiệm cho thấy trong tinh thể đá băng lan có một phơng đặc biệt duy nhất ánh sáng truyền theo phơng này nó không bị tách làm hai. Các đ- ờng thẳng song song với phơng đó gọi là trục quang học của tinh thể. Tinh thể có một trục quang học gọi là tinh thể đơn trục nh tinh thể đá băng lan, thạch anh. Tinh thể có hai trục quang học gọi là tinh thể lỡng trục nh tinh thể mica. Trong nội dung chơng này ta chỉ khảo sát các hiện tợng vật lí xảy ra khi ánh sáng lan truyền trong tinh thể đơn trục. Chiếu chùm sáng vuông góc với mặt ABCD của tinh thể, tia sáng bị tách thành hai tia. - Một tia tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng đợc gọi là tia thờng. Kí hiệu là 0. - Tia còn lại không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng gọi là tia bất thờng. Kí hiệu là tia e. Sau khi đi ra khỏi tinh thể tia thờng và tia bất thờng lan truyền theo các phơng song song với nhau và song song với phơng của tia tới. 9 Mặt phẳng chứa trục quang học chứa các tia 0, tia e đợc gọi là mặt phẳng chính, chẳng hạn mặt phẳng ACCA. Khi khảo sát sự lan truyền ánh sáng trong tinh thể ngời ta thờng vẽ đờng đi của ánh sáng qua mặt phẳng chính. Thực nghiệm cho thấy tia thờng và tia bất thờng phân cực trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau. Nếu ta đặt trên đờng truyền của mỗi tia một tinh thể đơn trục nữa, trục quang học của chúng không song song với các tia đó thì mỗi tia lại bị tách ra thành tia thờng và tia bất thờng.Vậy khi chiếu ánh sáng tự nhiên hay ánh sáng phân cực vào tinh thể đơn trục đều xảy ra hiện tợng lỡng chiết. 2. Một vài tính chất của tia thờng và tia bất thờng - Tia thờng và tia bất A A thờng là những tia sáng bị phân cực hoàn toàn. Phơng E dao động của véc tơ phân cực e sáng của tia E 0 thờng u tiên trong o mặt phẳng vuông góc với mặt C C phẳng chính, phơng dao động của véc tơ E e của tia bất thờng u tiên dao động trong mặt phẳng chính. - Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì cờng độ chùm tia thờng và tia bất thờng sau khi ra khỏi tinh thể là bằng nhau. I 0 = I e = 2 1 I tn - Nếu ánh sáng tới là ánh sáng phân cực thẳng khi đi vào tinh thể tia sáng bị tách thành hai tia .Cờng độ của tia thờng và tia bất thờng sau khi ra khỏi tinh thể phụ thuộc vào góc hợp bởi vectơ E và quang trục của tinh thể . Từ hình vẽ ta có: E 0 = Esin 10