K004234 Курсовая работа Закон преломления света

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ПРАКТИКУ 2

ОТЗЫВ 3

СОДЕРЖАНИЕ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6

1.1Закон преломления света 6

1.2Закон Брюстера 8

1.3Методы измерения показателя преломления 9

1.3.1 Метод наименьшего отклонения при измерении на гониометре 9

1.3.2 Метод измерения на рефрактометре Аббе 10

1.3.3 Метод угла Брюстера при отражении 11

2МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 15

2.1Описание магнитооптического эффекта 15

2.2Описание метода 18

2.3Оценка точности предлагаемого метода и сравнение ее с точностью метода угла Брюстера при отражении 18

3ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 21

3.1Принципиальная схема многофункциональной оптической установки для измерения магнитных характеристик ферромагнетиков 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28

БИБИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 29

ВВЕДЕНИЕ

Абсолютный показатель преломления вещества является одной из его фундаментальных характеристик. Определение показателей преломления прозрачных объектов и повышение точности их измерения представляет собой важную практическую задачу в некоторых областях интегральной оптики, радиоэлектроники, при конструировании многослойных пленочных систем для элементов памяти ЭВМ, а также при получении и исследовании новых диэлектрических и полупроводниковых материалов.

Известны несколько способов определения абсолютного показателя преломления (n) прозрачных тел. Из них наиболее широко используются следующие: метод призмы [1], метод предельного угла [2], эллипсометрический способ одновременного измерения показателя преломления и толщины прозрачной пленки [3], метод угла Брюстера при отражении света [4]. Ни один из указанных способов не является универсальным. Каждый имеет свою область применения и свой предел точности. Поэтому заслуживают рассмотрения другие способы измерения величины n.

В настоящей работе предлагается новый способ измерения абсолютного показателя преломления прозрачных объектов, имеющих форму пластинки, плоскопараллельного слоя или же толстой пленки. Способ основан на определении угла Брюстера, но отличается от известного способа [4] тем, что, во-первых, угол Брюстера измеряется не в отраженном, а в прошедшем свете и, во-вторых, этот угол находится из условия обращения в ноль нечетного магнитооптического эффекта изменения интенсивности света при его прохождении через экваториально намагниченную пленку ферромагнетика, нанесенную на измеряемый образец.Точность предлагаемого метода сравнивается с точностью метода угла Брюстера при отражении.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Закон преломления света

Явление преломления света было известно со времён Аристотеля (350 лет до нашей эры). Попытка установить количественный закон принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г. нашей эры), который предпринял измерения углов падения и преломления. Приводимые им данные измерений весьма точны. Птолемей учитывал влияние преломления в атмосфере на видимое положение светил (атмосферная рефракция) и даже составил таблицы рефракции. Однако измерения Птолемея относились к сравнительно небольшим углам, и поэтому он пришёл к неправильному углу падения. Значительно позже (около 1000 г.) арабский оптик Альхазен (Альхайтам) обнаружил, что отношение углов падения и преломления не остается постоянным, но правильного выражения закона дать не смог. Правильная формулировка закона преломления принадлежит Снеллиусу (1591-1626), указавшему в сочинении, оставшемся неопубликованным, что отношение косекансов углов падения и преломления остаётся постоянным, и Декарту, давшему в своей «Диоптрике» (1637 г.) современную формулировку закона преломления. Декарт установил свой закон около 1630 г; были ли ему известны исследования Снеллиуса – неясно.

Закон Снеллиуса описывает преломление света (рисунок 1.1) на границе двух прозрачных сред: луч падающий и луч преломлённый лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела.

Рисунок 1.1 – Преломления света

Угол падения i и угол преломления r связаны отношением

 , (1.1)

где n – постоянная величина, которая называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой,

 – скорость волны в первой среде,

 – скорость волны во второй среде.

Физический смысл относительного показателя преломления состоит в том, что он равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление:

 .  (1.2)

Если угол преломления rменьше угла падения i, то, согласно (1.1), скорость света во второй среде меньше, чем в первой.

Показатель преломления среды относительно вакуума называютабсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду.

Пользуясь формулой (1.2), можно выразить относительный показатель преломления через абсолютные показатели преломления   и   первой и второй сред.

  , (1.3) и (1.4)

гдеС – скорость света в вакууме, то

 . (1.5)

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называтьоптически менее плотной средой.

Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, то есть от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Как правило, для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового.

Поэтому в таблицах значений показателей преломления для разных веществ обычно указывается, для какого света приведено данное значениеnи в каком состоянии находится среда. Если таких указаний нет, то это означает, что зависимостью от указанных факторов можно пренебречь.

1.2 Закон Брюстера

Световые волны могут иметь линейную поляризацию (в этом случае колебания электрического поля происходят в фиксированной плоскости), круговую поляризацию (электрическое поле вращается подобно стрелке часов) или эллиптическую поляризацию (электрическое поле вращается, при этом его абсолютная величина зависит от направления).

Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности. Согласно этому закону, при определенном угле падения свет полностью поляризуется параллельно отражающей поверхности, и величина этого угла зависит от свойств отражающего вещества. Угол падения, при котором происходит полная поляризация отраженного и преломленного света, называется углом Брюстера , и его тангенс равен коэффициенту преломления отражающего вещества

 . (1.6)

Даже при углах падения, заметно отличающихся от угла Брюстера, свет в значительной мере поляризуется, но в этом случае и для преломленного, и для отраженного луча характерна эллиптическая поляризация.

1.3 Методы измерения показателя преломления

Абсолютный показатель преломления вещества является одной из его фундаментальных характеристик. Определение показателей преломления прозрачных объектов и повышение точности их измерения представляет собой важную практическую задачу в некоторых областях интегральной оптики, радиоэлектроники, при конструировании многослойных пленочных систем для элементов памяти ЭВМ, а также при получении и исследовании новых диэлектрических и полупроводниковых материалов.

Согласно ГОСТ 28869-90 существуют гониометрические методы и рефрактометрические методы измерения [2], также часто используют эллипсометрический способ одновременного измерения показателя преломления и толщины прозрачной пленки [3], метод угла Брюстера при отражении света [4]. Ни один из указанных способов не является универсальным. Каждый имеет свою область применения и свой предел точности. Поэтому заслуживают рассмотрения другие способы измерения величины n.

Рассмотрим некоторые из существующих методов.

1.3.1 Метод наименьшего отклонения при измерении на гониометре

Метод наименьшего отклонения основан на измерении преломляющего угла   образца в форме призмы с главным сечением в виде равнобедренного треугольника и угла наименьшего отклонения   луча с длиной волны  , проходящего в призме параллельно её основанию (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Метод наименьшего отклонения

Показатель преломления   рассчитывают по формуле (1.7)

 . (1.7)

1.3.2 Метод измерения на рефрактометре Аббе

Метод основан на явлении полного внутреннего отражения и опреде-лении угла выхода луча, проходящего из образца в измерительную призму, обладающую по сравнению с образцом большим показателем преломления (рисунок 1.3).

Показатель преломления   для длины волны   при отсутствии шкалы показателей преломления рассчитывают по формуле (1.8)

 , (1.8)

где    – угол преломления измерительной призмы,

  – показатель преломления измерительной призмы,

  – предельный угол выхода луча.