Nr ćwiczenia

10

Badanie zjawiska dyfrakcji

i polaryzacji światła

Ocena przygotowania
teoretycznego.

Nr zespołu

Nazwisko i imię

10

Kamil Ciepiela

Ocena za sprawozdanie.

Data

Wydział

Rok

Grupa

01.03.2006

EAI i E

I

I

UWAGI :

Cel ćwiczenia

:

Obserwacja obrazu dyfrakcyjnego pojedynczej szczeliny i badanie wpływu szerokości

szczeliny na położenia maksimów i minimów natężenia światła. Wyznaczenie szerokości
szczeliny. Poznanie zjawiska polaryzacji światła. Sprawdzanie prawa Malusa

Wiadomości teoretyczne

:

Wstęp:

Oddziaływanie elektromagnetyczne to jedno z czterech oddziaływań elementarnych. Teoria oddziaływań
elektromagnetycznych powstała z ujednolicenia teorii magnetyzmu i elektryczności. Centralną rolę w tej
teorii odgrywa pojęcie pola elektromagnetycznego. Zachowanie pola elektromagnetycznego opisane jest
równaniami Maxwella. W myśl równań Maxwella stacjonarne pole elektromagnetyczne pozostaje związane
ze swoim źródłem, np. naładowaną cząstką lub przewodnikiem, przez który przepływa prąd. Zmienne pole
elektromagnetyczne, natomiast, rozprzestrzenia się w postaci fali elektromagnetycznej. Fale
elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal
najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet,
promieniowanie X, promieniowanie gamma.
Równanie fali:

2

2

0

0

2

dt

E

d

E

r

r

µεε

µ

=

∇

2

2

0

0

2

dt

B

d

B

r

r

µεε

µ

=

∇

Równania Maxwella:

Cztery równania, które
opisują własności pola
elektrycznego i
magnetycznego oraz
zależności między polem
elektrycznym i magnetycznym:

Zjawisko interferencji i dyfrakcji fal elektromagnetycznych

Dyfrakcja to zmiana kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeżeli wiązka fal przechodzi
przez

wąską

szczelinę

lub

omija

bardzo

cienki

obiekt,

to

zachodzi

zjawisko

ugięcia.

Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła lasera padającego na
ekran. Zależność na jasność światłą przyjmuje postać gdzie:

∫

=

Σ

e

q

s

d

E

v

o

r

prawo Gaussa dla pola E

∫

=

Σ

0

s

d

B

r

o

v

prawo Gaussa dla pola B

∫

∫

∂

∂

−

=

⋅

Σ

Γ

s

d

B

t

dl

E

r

o

r

r

prawo Faraday’a

∫

∫

∫

∂

∂

+

=

⋅

Σ

0

0

Γ

Σ

0

t

ε

µ

s

d

j

µ

dl

B

r

o

v

r

prawo Ampere’a
Maxwella

2

0

sin

)

sin

sin(





















Θ

Θ

=

d

d

I

I

λ

π

λ

π

I - intensywność światła,
λ - długość fali,
d - szerokość szczeliny,

Interferencja to zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł. W fizyce wyróżnia się dwa rodzaje
interferencji. W optyce najczęściej rozpatruje przypadek interferencji fal sinusoidalnych o zbliżonej
częstotliwości i amplitudzie.
Dla zjawiska interferencji obszar rozchodzenia się fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji i
miejsc, w których jej amplituda ulega podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i minima interferencyjne,
konieczne jest, aby źródła fal były koherentne, czyli miały tą samą fazę, częstotliwość oraz długość). Białe
światło Słońca nie spełnia takiego warunku i dlatego najłatwiej zaobserwować interferencję światła lasera.
Doświadczenie Younga pozwala na obserwację tego zjawiska dla światła białego. Przykłady eksperymentalnej
obserwacji interferencji fal pochodzących z dwóch źródeł przedstawiono na ilustracji.

Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. Światło lasera
można podzielić kostką światłodzielącą na dwie wiązki. Jedną z nich umieszcza się na mierzonym odcinku, a
drugą wprowadza do detektora jako wiązkę odniesienia. W efekcie rejestrowane natężenie światła będzie rosnąć
i maleć cyklicznie w miarę zwiększania wymiarów odcinka. Długość fali może stać się wzorcem odległości, np.
metra, co wykorzystuje interferometr laserowy.

Rodzaje polaryzacji fali elektromagnetycznej

Polaryzacja światła, całkowite lub częściowe uporządkowanie drgań fali świetlnej (polaryzacja fal). W
fali (świetle) polaryzowanej całkowicie drgania fali odbywają się w jednym kierunku, przy polaryzacji
częściowej, drgania w kierunku polaryzacji mają większą amplitudę niż w kierunku prostopadłym do
kierunku polaryzacji. Szczególnymi przypadkami są polaryzacja liniowa i kołowa. W pierwszym
przypadku amplituda fali jest skierowana wzdłuż danej osi, w drugim obraca się cały czas, co jest
równoznaczne z rozchodzeniem się dwóch prostopadłych do siebie fal o równych amplitudach, ale
przesunięte względem siebie w fazie o 90 stopni. Jeśli amplitudy tych składowych nie są równe to
mówimy o polaryzacji eliptycznej. Światło emitowane przez rozgrzane ciała nie jest spolaryzowane.

Sposoby uzyskania światła spolaryzowanego, polaryzatory, stopień polaryzacji

Polaryzacja częściowa zachodzi: przy odbiciu światłą na granicy dwóch ośrodków (np. powietrza i wody) (w
szczególnym wypadku przy kącie padania równym kątowi Brewstera światło odbite jest całkowicie
spolaryzowane liniowo). Przy rozchodzeniu się światła w ośrodku anizotropowym (dwójłomność), światło
rozdziela się na dwie spolaryzowane wiązki. Przy rozpraszaniu światła (światło obserwowane pod kątem
prostym do kierunku padania wiązki jest całkowicie spolaryzowane).
Światło spolaryzowane może być również emitowane przez źródło. Przykładem takiego źródła jest laser, który
przy odpowiedniej konstrukcji wysyła wiązkę całkowicie spolaryzowaną.
Ogólnie mówiąc, jakiekolwiek urządzenie służące do otrzymania światła spolaryzowanego nazywamy
polaryzatorem. Takie samo urządzenie może służyć do badania światła już spolaryzowanego, czyli jako
analizator. Jeżeli polaryzator i analizator są tak ustawione, że kierunki drgań światła są w nich takie same, to
mówimy, że są równoległe. Jeżeli kierunek drgań w polaryzatorze jest prostopadły do kierunku drgań w
analizatorze, mówimy, że są one skrzyżowane.

Prawo Malusa

Do przedstawienia prawa Malusa można posłużyć się światłem liniowo spolaryzowanym, które przechodzi przez
doskonały analizator. Załóżmy, że płaszczyzna polaryzacji wiązki tworzy kąt

α z kierunkiem przepuszczania

analizatora.

Przez E

0

oznaczymy amplitudę zmian pola elektrycznego. Analizator przepuszcza tylko składową pola

elektrycznego równoległą do kierunku transmisji. Tak, więc amplituda zmian pola elektrycznego po przejściu
przez analizator wynosi: E = E

0

⋅⋅⋅⋅

cos

α

α

α

α

Natężenie fali, czyli energia przenoszona przez falę w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni, jest
proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Natężenie wiązki padającej wynosi: I

0

= b

.

E

0

2

gdzie b jest stałą, natomiast natężenie wiązki po przejściu przez analizator wynosi: I = b

.

E

2

Wstawiając do tego równania zależność E = E

0

.

cos

α

α

α

α otrzymujemy prawo Malusa:

I = I

0

⋅⋅⋅⋅

cos

2

α

α

α

α

Tak więc zależność pomiędzy natężeniem promienia padającego, a natężeniem promienia przechodzącego przez
analizator powinna być przedstawiona na wykresie za pomocą funkcji cos

2

α.

Zasada działania lasera, laser gazowy He-Ne, inne rodzaje laserów w tym lasery
półprzewodnikowe, właściwości światła laserowego

Laser - nazwa utworzona jako akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -
wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator światła, wykorzystujący
zjawisko emisji wymuszonej.

Zasada działania – Laser He-Ne:
Wypełnione mieszaniną helu i neonu pod niskim ciśnieniem, pompowane elektrycznie. Następnie atomy helu
zderzają się z atomami neonu (powodując, że atomy neonu przechodzą w stan wzbudzony), by te poprzez emisje
wymuszoną emitowały światło czerwone λ = 632,8 nm. Ściślej, atomy neonu emitują dwie długości fal, z czego
druga długość odpowiada świeceniu czerwonemu lampy neonowej.

Ostatnio konstruuje się lasery helowo-neonowe emitujące również światło zielone, wykorzystywane w
badaniach naukowych oraz ze względu na prostą budowę w dydaktyce i niektórych zastosowaniach
praktycznych. Popularne w dydaktyce fizyki w latach 80 i 90.

Zasada działania – Laser półprzewodnikowy:
Laser oparty na półprzewodniku, rodzaj diody luminescencyjnej o dużej wydajności (nośniki ładunku - dziury i
elektrony - zostają wstrzyknięte w obszar złącza, rekombinują wysyłając promieniowanie rezonowane optycznie
przez wypolerowany kryształ).

Ponadto występują: Laser barwnikowy, molekularny, neodymowy, kryptonowy i ksenonowy, argonowy

Spójność czasowa i przestrzenna:

Spójność czasowa.

Fale nazywamy wzajemnie spójnymi, jeżeli ich względna faza (różnica faz) nie zmienia się w czasie; są

one zdolne do interferencji. Spójność czasowa to zdolność do interferencji dwóch fal świetlnych wychodzących
w tym samym kierunku z tego samego punktu źródła światła w dwóch różnych chwilach ze względnym
opóźnieniem
Spójność przestrzenna.

Spójność przestrzenna do zdolność do interferencji światła ze źródła rozciągłego po zapewnieniu

całkowitej spójności czasowej. Rozciągłym źródłem światła jest równomiernie świecący krążek o średnicy 2r

0

oddalony o L od układu dwóch szczelin. Odległość między szczelinami wynosi R

0

. Jeżeli na ekranie otrzymamy

układ prążków interferencyjnych o kontrastowości V = 0,707, to okrąg o promieniu R

0

jest obszarem spójności

światła w płaszczyźnie szczelin.