Nr ćwiczenia	Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła				Ocena przygotowania teoretycznego.
10
Nr zespołu	Nazwisko i imię					Ocena za sprawozdanie.
10	Kamil Ciepiela
Data	Wydział	Rok	Grupa			UWAGI :
01.03.2006	EAI i E	I	I

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:

	prawo Gaussa dla pola E
	prawo Gaussa dla pola B
	prawo Faraday'a
	prawo Ampere'a Maxwella

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:

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:

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 E₀ 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 = E₀ ^⋅ cosα

Natężenie fali, czyli energia przenoszona przez falę w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni, jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Natężenie wiązki padającej wynosi: I₀ = b ^. E₀²

gdzie b jest stałą, natomiast natężenie wiązki po przejściu przez analizator wynosi: I = b ^. E²

Wstawiając do tego równania zależność E = E₀ ^. cosα otrzymujemy prawo Malusa:

I = I₀ ^⋅ cos²α

Tak więc zależność pomiędzy natężeniem promienia padającego, a natężeniem promienia przechodzącego przez analizator powinna być przedstawiona na wykresie za pomocą funkcji cos²α.

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 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.

---