„I” PRACOWNIA FIZYCZNA U.Śl.
Nr ćwiczenia: 82	Temat: Analiza stanu polaryzacji światła
Imię i Nazwisko: Piotr Konowalczyk
Rok studiów: I	Kierunek: Informatyka
Grupa: II / 14:00	Data wykonania ćwiczenia:
Ocena: .......................................

Światło jest poprzeczną falą elektromagnetyczną. Oko ludzkie i wiele urządzeń optycznych reaguje wyłącznie na pole elektryczne tej fali. Tak więc drgania świetlne możemy uważać za drgania elektryczne i opisywać je równaniem falowym drgań elektrycznych. Zazwyczaj światło jest falą bardzo złożoną, ponieważ występują równocześnie fale o różnych długościach, a drgania zachodzą we wszystkich płaszczyznach przechodzących przez kierunek rozchodzenia się.

W niektórych doświadczeniach ograniczamy drgania fali świetlnej do jednej tylko płaszczyzny. Mówimy wtedy, że światło jest liniowo spolaryzowane. Płaszczyzną polaryzacji nazywamy płaszczyznę prostopadłą do płaszczyzny, w której zachodzą drgania elektryczne.

Pełna polaryzacja promienia odbitego występuje wtedy, gdy kąt między promieniem odbitym i załamanym wynosi 90^o. Całkowita polaryzacja promienia odbitego występuje więc tylko przy określonej wartości kąta padania α. Promień odbity jest liniowo spolaryzowany w płaszczyźnie padania, a promień załamany spolaryzowany jest częściowo w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania.

Sprowadzenie drgań świetlnych do jednej płaszczyzny, czyli tzw. polaryzacja liniowa światła, nie jest jedynym sposobem uporządkowania drgań świetlnych. Może również istnieć światło, w którym koniec wektora natężenia pola elektrycznego zakreśla linię śrubową wokół kierunku rozchodzenia się. Mówimy wtedy o polaryzacji kołowej ( gdy E_y = E_x ) lub eliptycznej ( gdy E _y≠ E_x ). Światło spolaryzowane kołowo lub eliptycznie otrzymać możemy przepuszczając światło spolaryzowane liniowo przez cienką płytkę wykonaną z kryształu optycznie czynnego. W wiązce światła biegnącej w płytce wyróżnić można składową zwyczajną i nadzwyczajną. Drgania obydwu składowych zachodzą we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Wynik ponownego nakładania składowych po wyjściu światła z płytki zależy od prędkości składowych; jeżeli ich prędkości w płytce są takie same, to po wyjściu światła z płytki otrzymujemy drgania spolaryzowane w tej samej płaszczyźnie co wiązka padająca. Jeżeli jednak prędkości rozchodzenia się światła są różne dla obydwu składowych, to powstaje różnica faz: dla ω₁ = ω₂ wypadkowe drganie jest drganiem eliptycznym, a ze względu na równoczesny ruch fali świetlnej w kierunku osi z - falą spolaryzowaną kołowo lub eliptycznie.

Światło spolaryzowane liniowo, przechodzące przez niektóre kryształy, zwane optycznie czynnymi, doznaje skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Dzieje się to w kryształach jednoosiowych wtedy, gdy światło biegnie równolegle do osi optycznej. Kierunek skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest różny dla różnych kryształów.

Światło spolaryzowane liniowo uważać możemy za nałożenie dwóch spójnych, kołowo spolaryzowanych składowych o równych okresach i amplitudach, lecz przeciwnych kierunkach obrotu wektora.

Światło spolaryzowane liniowo możemy zbadać za pomocą polaryzatora, zwanego w tym przypadku analizatorem. Do analizy światła spolaryzowanego eliptycznie, poza analizatorem, zastosować musimy również ćwierćfalówkę. Zmienia ona światło spolaryzowane eliptycznie na światło spolaryzowane liniowo.

Sposób ustalania polaryzacji światła:

	Natężenie światła przy obrocie analizatora (zmiana kąta δ)	Sposób ustawienia ćwierćfalówki C (kąt γ)	Natężenie światła przy obrocie analizatora po przejściu przez C	Rodzaj polaryzacji światła
1	I ≠ const Imin = 0	bez ćwierćfalówki	-	liniowa
2.1			I = const	światło naturalne
2.2	I = const	dowolny	I ≠ const Imin = 0	kołowa
2.3			I ≠ const Imin > 0	kołowa + światło naturalne
3.1		azymut w kierunku δ1	I ≠ const Imin > 0 dla δ1 = β	liniowa + światło naturalne
3.2	I ≠ const Imin > 0 dla kąta δ,	(wtedy γ = 0). Przy dalszej analizie obracając lunetkę nie	I ≠ const Imin = 0 dla δ1 ≠ β	eliptyczna
3.3		zmieniamy ustawienia ćwierćfalówki.	I ≠ const Imin > 0 dla δ1 ≠ β	eliptyczna + światło naturalne

Wnioski dotyczące otrzymanych wyników:

- dla zmian natężenia bez ćwierćfalówki (na rysunku: „Bez C”) : otrzymany wykres przypomina wykres funkcji cosinus. Widać wyraźny błąd w odczytaniu wskazań amperomierza dla kąta 140⁰ przypuszczalny odczyt powinien wynosić nie 210 μA, a około 260 μA. Ekstrema tej funkcji (ze względu na jej symetrię) możemy ustalić dla kąta 5⁰ i 185⁰ jako maksima, a dla 95⁰ i 275⁰ jako minia.

- dla zmian natężenia z ćwierćfalówką ustawioną na 20⁰ (na rysunku: „C na 20 st.”) : wyraźnie widać, iż zakres μA (do 750 μA) był zbyt duży, aby odczytać dokładnie wyniki dla podanych parametrów. Przypuszczalnie należałoby odrzucić cały cykl pomiarów dla kąta ćwierćfalówki = 20⁰, mimo iż można określić prawdopodobne punkty ekstremalne: minimum dla 45⁰ i 255⁰ , a maksimum dla 185⁰ i 355⁰ . Dodatkowy problem przy pomiarach stanowiło zgaszone światło w pracowni, co znacznie utrudniało prawidłowe ustawienie kąta i odczytywanie wyników.

- dla zmian natężenia z ćwierćfalówką ustawioną na 40⁰ i 60⁰ krzywe obrazujące wyniki pomiarów mają przebieg zbliżony do oczekiwanego. Dla kąta ćwierćfalówki = 40⁰ maksimum najprawdopodobniej występuje w 0⁰ i 185⁰ a minimum w 95⁰ i 275⁰ , a dla kąta ćwierćfalówki = 60⁰ maksimum w 170⁰ i 325⁰, minimum w 65⁰ i 250⁰ .

Wnioski ogólne:

1. Dla pewnych położeń analizatora światło ulega osłabieniu, czyli światło jest spolaryzowane: częściowo liniowo lub eliptycznie lub częściowo eliptycznie.

2. Porównując wykres „Bez C” (bez ćwierćfalówki) z wykresem „C na 40⁰ ” otrzymujemy:

Rozkład minimów i maksimów jest taki sam jak bez ćwierćfalówki - światło jest częściowo spolaryzowane liniowo.

3. Porównując wykres „Bez C” z wykresem „C na 60⁰ ” otrzymujemy:

Istnieją minima i maksima, które nie pokrywają się z położeniem minimów i maksimów bez ćwierćfalówki - światło jest częściowo spolaryzowane eliptycznie.

4. Dane z serii „C na 20⁰ ” zostały odrzucone.

---