Numer ćwiczenia 10	Temat ćwiczenia Badanie zjawiska polaryzacji i dyfrakcji światła	Ocena z teorii
Numer zespołu 7	Nazwisko i imię Fiołek Robert	Ocena zaliczenia ćwiczenia
Data 22.03.2006	Wydział, rok, grupa EAIiE, AiR rok I, gr. 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

Wymagane wiadomości teoretyczne:

Równanie fali elektromagnetycznej:

E=E_msin(kx-ωt)

B=B_msin(kx-ωt),

Polaryzacja:

a) liniowa

Fala jest spolaryzowana liniowo jeżeli pola E i B są stałe. Kierunek polaryzacji wektora E zdefiniowany jest jako kierunek polaryzacji.

b) kołowa

Natomiast jeżeli wektory E i B mają stałą wartość ale rotują z pewną częstotliwością po jakiejś płaszczyźnie to mówimy, że fala jest spolaryzowana kołowo.

c) eliptyczna

Fala jest spolaryzowana eliptycznie jeżeli wartość wektorów zmienia się po drodze rotacji jak w elipsie.

Dyfrakcja:

Dyfrakcją nazywamy zjawisko ugięcia się fali przy przejściu przez przeszkodę. Przez obraz dyfrakcyjny rozumiemy rozkład natężenia oświetlenia, który otrzymujemy na ekranie, jeśli na drodze rozchodzącej się fali umieszczona została przeszkoda.

Minimum dyfrakcyjne :
m = 1,2,...

Maksimum dyfrakcyjne:
m = 1,2...

Interferencja:

Podstawowym zjawiskiem ruchu falowego jest interferencja, czyli nakładanie się ruchów falowych, z tym, że jest to zjawisko, które zachodzi dla fal o tej samej częstotliwości ze stałym w czasie przesunięciem fazowym.

Spójność:

a) 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 t.

b) przestrzenna

Spójność przestrzenna to zdolność do interferencji światła ze źródła rozciągłego po zapewnieniu całkowitej spójności czasowej.

Metody wytwarzania światła spolaryzowanego:

• przez płytkę polaryzującą (polaroid)

• przez odbicie od dielektryka

- przez podwójne załamanie w krysztale

Prawo Malusa.

Jeżeli przepuścimy wiązkę światła spolaryzowanego o natężeniu I₀ przez analizator, to natężenie światła przepuszczonego będzie zależeć od kąta ၡ zawartego pomiędzy płaszczyzną polaryzacji polaryzatora (wiązki padającej), a płaszczyzną polaryzacji analizatora. Natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy wektora natężenia pola elektrycznego fali świetlnej. Polaryzator rozkłada amplitudę fali padającej E na składową równoległą do płaszczyzny polaryzacji równą Ecosၡ i prostopadłą, ale tylko składowa równoległa jest przepuszczana. Ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali, więc natężenie światła przepuszczonego przez analizator jest proporcjonalne do kwadratu cosၡ, skąd wynika prawo Malusa:

I = I₀ cos2Θ

gdzie:

I - natężenie światła po przejściu przez polaryzator,

I₀ - natężenie światła przed polaryzacją,

Θ - kąt między osią transmisji polaryzatora a wektorem pola E padającej wiązki (kąt między płaszczyzną drgań światła padającego i płaszczyzną polaryzatora).

Substancje czynne optycznie:

Substancje wykazujące czynność opt. (aktywność optyczna), czyli skręcające płaszczyznę polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo o pewien, charakterystyczny dla danej substancji kąt w prawo lub w lewo. Właściwość tę wykazują niektóre związki chem. w stanie gazowym, ciekłym i w roztworach, a także kryształy, tzw. kryształy optycznie czynne.

Polarymetr:

Jest to przyrząd optyczny służący do pomiaru stężenia roztworów, których cząsteczki skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Polarymetr służy też do określania czynności optycznej czystych związków chemicznych oraz określania składu mieszanin enancjomerów.

Laser - budowa i działanie:

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Zjawisko promieniowania lasera wyróżnia się dużą gęstością mocy, małym rozmyciem energetycznym promieniowania (monochromatyczność), skolimowaniem, spójnością wiązki i polaryzacją liniową.

Warunkami koniecznymi do powstania samorzutnej generacji światła spójnego są:

- inwersja obsadzeń (stan, w którym liczba atomów w stanie o wyższej energii jest większa od   liczby atomów w stanie o niższej energii),

-dołączenie dodatniego sprzężenia zwrotnego, realizowane zwykle poprzez układ równoległych zwierciadeł zawracających z powrotem część fotonów do ośrodka czynnego.

Ośrodek czynny będący wzmacniaczem światła razem z układem sprzężenia zwrotnego staje się samo wzbudnym generatorem fali świetlnej - laserem.

Dla lasera He-Ne ośrodkiem czynnym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu całkowitym około 1,3 hPa. Stosunek ilości helu do neonu wynosi około 10:1. Gaz znajduje się wewnątrz szczelnej kwarcowej rury z elektrodami. Przyłożenie do elektrod wysokiego napięcia powoduje wyładowanie w gazie. Przyspieszone elektrony zderzają się z atomami helu i neonu, wzbudzając je. Do wyboru jednej konkretnej długości fali stosuje się lustra dielektryczne. Foton wypromieniowany spontanicznie w kierunku osi lasera napotyka na swojej drodze wzbudzone atomy neonu. Ze względu na zapewnioną inwersję obsadzeń emisja wymuszona przeważa nad absorpcją i fotony się mnożą. Powstająca wiązka jest lawiną spójnych fotonów o energii określonej przez foton wymuszający. Selektywne lustra dielektryczne przez odbicie większości fotonów promieniowania o jednej długości fali realizują dodatnie sprzężenie zwrotne.

Obecnie różne generacje laserów są źródłem światła od podczerwieni do ultrafioletu, czyli pokrywają zakres długości fal świetlnych dla obszaru optycznego z włączeniem podczerwieni i ultrafioletu.

Opracowanie wyników:

I Polaryzacja

Od wszystkich wyników pomiarów natężenia światła odejmuję 8, gdyż jest to natężenie tła.

1. Wykres pierwszy przedstawia zależność względnego natężenia światła przechodzącego przez polaryzator i analizator I/Io w funkcji skręcenia analizatora.

2. Niepewność pomiaru I/Io określam na podstawie zaobserwowanych podczas pomiarów wychyleń wychyleń i przyjmuję +/- 20 co daje 0,01 w przeliczeniu na I/Io. Niepewność pomiaru kąta skręcenia przyjmuję 2^o.

3. Wykres zależności teoretycznej został wykreślony zgodnie ze wzorem

I = I₀ cos2Θ. Widać, że wartości zmierzone odbiegają znacznie od teoretycznych, szczególnie, jeśli chodzi o amplitudę, która w rzeczywistości okazuje się być mniejsza. Przyczyną mogą być rożne czynniki nie wzięte pod uwagę przy szacowaniu niepewności pomiaru. Wykres wartości zmierzonych kształtem jest jednak zbliżony do wykresu teoretycznego, zatem prawo Malusa poprawnie odzwierciedla zjawisko polaryzacji.

II Dyfrakcja

1. Wykres drugi przedstawia zależność natężenia światła w funkcji przesunięcia bocznego fotodiody. Niepewność pomiaru natężenia światła przyjmuję identycznie jak przy polaryzacji.

2. Obliczam szerokość szczeliny:

dla m=1 λ=632,8nm x=4mm d=73cm

a=0,000115m

3. Obliczam niepewność pomiarową wyznaczonej szerokości szczeliny metodą różniczki zupełnej:

Dla λ=632,8nm x=4mm ∆x=0.01mm d=73cm ∆d=1mm

=0,25nm

4. Teoretyczny przebieg zależności I(x) wyznaczam ze wzoru:

Wnioski:

Po wykonaniu doświadczenia zauważamy, że na wyniki pomiarów bardzo duży wpływ miały liczne czynniki zakłócające przebieg pomiarów, takie, jak drżenie stołu, oświetlenie zewnętrzne, niedokładne odczyty mierzonych długości i kątów. Jest to przede wszystkim widoczne przy polaryzacji, gdzie otrzymany wykres ma dużo mniejszą amplitudę od teoretycznej. W przypadku dyfrakcji wykres jest bardziej zbieżny pod względem amplitudy, lecz przebieg pomiarów doświadczalnych pokrywa się z teoretycznym jedynie w kilku punktach. Aby wykresy teoretyczne i mierzone były bardziej do siebie zbliżone trzeba by zaciemnić pomieszczenie i zabezpieczyć stół przed drganiami. Przy badaniu dyfrakcji widać przesunięcia fazowe pomiędzy wykresami, co może być spowodowane niedokładnym wyśrodkowaniem maksimum centralnego oraz ograniczonym zakresem śruby.

3

---