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 2r₀ oddalony o L od układu dwóch szczelin. Odległość między szczelinami wynosi R₀. Jeżeli na ekranie otrzymamy układ prążków interferencyjnych o kontrastowości V = 0,707, to okrąg o promieniu R₀ jest obszarem spójności światła w płaszczyźnie szczelin.

Monochromatyczność.

Promieniowanie towarzyszące przejściu atomów wzbudzonych ze stanu wyższego k na niższy i nie ma ściśle określonej częstotliwości. Linia widmowa obejmuje pewien wąski przedział częstotliwości. Podstawową przyczyną tego zjawiska jest nieokreśloność energii poziomów energetycznych, wynikająca z zasady nieoznaczoności Heisenberga.

Laser.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Szczególne cechy promieniowania lasera to:

1. Duża gęstość mocy,

2. Monochromatyczność (małe rozmycie energetyczne promieniowania),

3. Równoległość (mały kąt rozbieżności wiązki),

4. Duża spójność czasowo-przestrzenna wiązki (zdolność do interferencji),

5. Polaryzacja liniowa.

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 samowzbudnym 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.

Dyfrakcja i interferencja.

Dyfrakcją nazywamy zjawisko ugięcia fali na przeszkodzie. Obraz dyfrakcyjny jest to rozkład natężenia oświetlenia, który otrzymujemy na ekranie, jeśli na drodze rozchodzącej się fali umieszczona została przeszkoda zwana aperturą. Natężenie światła padającego na ekran w funkcji kąta obserwacji opisane jest zależnością:

, gdzie Θ jest kątem obserwacji.

Interferencją nazywamy zjawisko nakładania się dwóch lub więcej fal spójnych na siebie.

Polaryzacja liniowa, kołowa i eliptyczna.

Jeżeli pola E i B są stałe to mówimy, że fala jest spolaryzowana liniowo. Kierunek polaryzacji wektora E zdefiniowany jest jako kierunek polaryzacji.

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

Jeżeli wartość wektorów zmienia się po drodze rotacji jak w elipsie to mówimy, że fala jest spolaryzowana eliptycznie.

Metody wytwarzania światła spolaryzowanego.

Prawo Malusa.

Przy polaryzacji liniowej światła wykorzystuje się zjawisko podwójnego odbicia od płaszczyzn szczególnych substancji oraz zjawisko dichroizmu czyli zjawisko polegające na anizotropowej absorbcji optycznej polegające na tym, że jedna ze składowych polaryzacji jest silniej absorbowana od innych.

We wszystkich urządzeniach optycznych, w których zachodzi zjawisko polaryzacji światła występuje dobrze zdefiniowana oś transmisji (kierunek w krysztale, wzdłuż którego wektor pola E propaguje bez lub z małymi stratami. W każdym innym kierunku tłumienie pola E jest bardzo duże.).

Prawo Malusa mówi, że intensywność transmisji po przejściu przez polaryzator wynosi:

I = I₀ cos²

gdzie:

I - natężenie światła po przejściu przez polaryzator,

I₀ - natężenie światła przed polaryzacją,

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

1. Sprawdzanie prawa Malusa.

1. Po wyjustowaniu biegu wiązki światła ustawiamy na ławie optycznej polaryzator i analizator.

2. Obracając analizator mierzymy natężenie światła za pomocą układu z fotodiodą.

3. Mierzymy natężenie światła po przejściu przez polaryzator.

kąt [*]	U [mV]	U/U0
0	204	0.3643
5	230	0.4107
10	408	0.7286
15	395	0.7054
20	338	0.6036
25	328	0.5857
30	294	0.525
35	260	0.4643
40	219	0.3911
45	217	0.3875
50	174	0.3107
55	140	0.25
60	103	0.1839
65	74	0.1321
70	52	9.286E-2
75	30	5.357E-2
80	14	0.025
85	5	8.929E-3
90	2	3.571E-3
95	4	7.143E-3
100	13	2.321E-2
105	25	4.464E-2
110	48	8.571E-2
150	71	0.1268
120	91	0.1625
125	129	0.2304
130	138	0.2464
135	183	0.3268
140	208	0.3714
145	226	0.4036
150	227	0.4054
155	270	0.4821
160	297	0.5304
165	323	0.5768
170	304	0.5429
175	309	0.5518

kąt [*]	U [mV]	U/U0
180	388	0.6929
185	390	0.6964
190	377	0.6732
195	343	0.6125
200	303	0.5411
205	275	0.4911
210	236	0.4214
215	193	0.3446
220	164	0.2929
225	162	0.2893
230	130	0.2321
235	115	0.2054
240	94	0.1679
245	64	0.1143
250	40	7.143E-2
255	24	4.286E-2
260	12	2.143E-2
265	4	7.143E-3
270	1	1.786E-3
275	4	7.143E-3
280	11	1.964E-2
285	22	3.929E-2
290	37	6.607E-2
295	49	0.0875
300	68	0.1214
305	90	0.1607
310	120	0.2143
315	172	0.3071
320	236	0.4214
325	198	0.3536
330	241	0.4304
335	296	0.5286
340	287	0.5125
345	259	0.4625
350	232	0.4143
355	239	0.4268
360	253	0.4518

Z otrzymanych wykresów możemy wnioskować, że prawo Malusa zostało zachowane. Widzimy również, że wiązka biegnąca równolegle do osi transmisji polaryzatora jest tłumiona ze współczynnikiem równym ok.0,7. Z tego też powodu nie otrzymujemy wykresu funkcji cos² lecz 0,7cos². Napięcie przez nas mierzone jest wprost proporcjonalne do natężenia światła.

Analiza błędu:

U=U₀=2 mV

=0,006

Dodatkowe błędy opisane są na końcu sprawozdania.

2. Wyznaczanie rozkładu natężenia światła laserowego w obrazie dyfrakcyjnym pojedynczej szczeliny.

1. Po ustawieniu szczeliny między laserem a ekranem centrujemy szczelinę i regulujemy jej aperturę obserwując obraz na ekranie.

2. Ustawiamy wskazaną szerokość szczeliny i zamiast ekranu ustawiamy fotodetektor..

3. Zmieniając położenie fotodetektora odczytujemy natężenie światła.

x [mm]	U [mV]
0	1
0.5	2
1	3
1.5	4
2	3
2.5	2
3	2
3.5	3
4	5
4.5	11
5	18
5.5	27
6	35
6.5	40
7	41
7.5	37
8	31
8.5	22
9	14
9.5	7

Odległość fotodetektora od szczeliny wynosi l = 58,5 cm.

Długość fali świetlnej lasera He-Ne wynosi  = 632,8 nm.

Odległość pierwszego minimum od centralnego maximum wynosi x = 4 mm.

Korzystając z warunku na pierwsze minimum dyfrakcyjne (otrzymanego na podstawie zależności I() umieszczonej w konspekcie) obliczamy b - szerokość szczeliny.

== 0,092 ±0,001 mm, gdzie Θ jest kątem obserwacji.

Szerokość szczeliny wyznaczonej w powyższy sposób zgadza się ze szczeliną ustawioną podczas ćwiczenia. Błąd wyznaczonej w ten sposób apertury wynosi:

b== 1,02 m, l = 5 mm, x = 0,01 mm.

Przebieg doświadczalny jest bardzo bliski teoretycznemu. Na wykresie możemy zaobserwować główne maximum dyfrakcyjne oraz maximum i minimum pierwszego rzędu. Zależność ta występuje oczywiście symetrycznie względem maxima głównego ale z powodu braku możliwości dalszej regulacji śrubą mikrometryczną zaobserwowaliśmy tylko jedną stronę obrazu dyfrakcyjnego.

Analiza błędu:

Błąd pomiaru śrubą mikrometryczną wynosił 0,01 mm natomiast błąd pomiaru natężenia światła był spowodowany kilkoma czynnikami. Jednym z nich był błąd pomiaru woltomierza (napięcie jest wprost proporcjonalne do natężenia światła), który wynosił 2 mV. Bardzo istotnym czynnikiem powodującym błąd był również brak idealnego zaciemnienia sali, w której przeprowadzane było ćwiczenie. Ruchy osób pod oknem powodowały duże zmiany wskazań woltomierza. Mimo to wyniki pomiarów i tak bardzo dobrze pokrywają się z teoretycznymi zależnościami.

Nr ćwiczenia:

34

Nr zespołu:

4

Data ćwiczenia:

Wydział EAiE. Rok I. Grupa 4.

Badanie polaryzacji światła i efektów                       optycznych.

---