Nr ćwiczenia:
10
Temat ćwiczenia:
Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła
Ocena z teorii:
Nr zespołu:
Nazwisko i imię:
3
Paweł Płazieński
Ocena za sprawozdanie:
Data:
Wydział:
Rok:
Grupa:
EAIiE
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
Teoria
Równanie fali elektromagnetycznej:
B
=B
m
sin
kx−t
E
=E
m
sin
kx−t
E – natężenie pole elektrycznego, B – wektor indukcji magnetycznej
Równania Maxwella:
prawo Gaussa dla elektryczności
∫
=
⋅
0
ε
Q
S
d
E
prawo Gaussa dla magnetyzmu
∫
=
⋅
0
S
d
B
prawo indukcji Faraday’a
∫
Φ
−
=
⋅
dt
d
l
d
E
B
prawo Ampera
∫
=
⋅
i
l
d
B
0
µ
Interferencja:
To zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł. W fizyce wyróżnia się dwa rodzaje
interferencji. Optyka najczęściej rozpatruje przypadek interferencji fal sinusoidalnych o zbliżonej
częstotliwości i amplitudzie. Akustyka i analiza sygnałów jest bardziej zainteresowana nakładaniem
się fal o złożonych kształtach.
Dyfrakcja:
To zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeżeli wiązka fal
przechodzi przez wąską szczelinę lub omija bardzo cienki obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia.
Zgodnie z zasadą Hygensa każdy punkt w pobliżu krawędzi przeszkody staje się nowym źródłem
fali. Jeżeli uwzględnimy zjawisko interferencji, to można zauważyć, że za przeszkodą pojawią się
obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal. Zjawisko dyfrakcji można obserwować dla
fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.
Prawo Malusa:
I = I
0 *
cos
2
α
I – natężenie światła po przejściu przez analizator
I
0
– natężenie światła przed przejściem przez analizator
α – kąt pomiędzy płaszczyzną polaryzacji światła a płaszczyzną polaryzacji analizatora
Rodzaje polaryzacji fali elektromagnetycznej:
1. Liniowa – Kierunek wektora E jest stały i wyznacza płaszczyznę polaryzacji.
2. Kołowa – Wektory E i B mają stałą wartość, ale rotują z pewną częstotliwością.
3. Eliptyczna –Wartość wektorów E i B zmienia się po drodze rotacji jak w elipsie.
Zasada działania lasera:
LASER [ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation], urządzenie generujące lub
wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widmowym zawartym
między daleką podczerwienią a nadfioletem.
Opiera się na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach
atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez tzw. pompowanie optyczne (wzbudzanie) do
stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomów energetycznych. Inwersja obsadzeń to stan, w
którym liczba atomów w stanie o wyższej energii jest większa od liczby atomów w stanie o niższej
energii.
Energia pompująca układ pochodzi z promieniowania wzbudzającego, energii wyładowania
elektrycznego, energii elektronów wiązki wzbudzającej, energii chemicznej.
Głównymi elementami lasera są: ośrodek czynny (osnowa z zawartymi w niej atomami lub jonami
laserującymi), źródło pompujące oraz rezonator optyczny (w generatorze). Rezonator umożliwia
wytworzenie promieniowania monochromatycznego w postaci wiązki o niewielkiej średnicy
i rozbieżności (od ok. 1 s do kilkunastu minut kątowych);
Metodyka wykonania ćwiczenia
Polaryzacja światła
1. Na ławie optycznej ustawić polaryzator i sprawdzić czy położenie plamki na ekranie nie
uległo zmianie.
2. Obracając polaryzator wokół osi optycznej zaobserwować czy następują zmiany natężenia
światła na ekranie.
3. Na ławie optycznej ustawić analizator i sprawdzić czy położenie plamki na ekranie uległo
zmianie.
4. Dla danego ustawienia polaryzatora, obracać analizator sprawdzając czy na ekranie
następują zmiany natężenia światła. Sprawdzić czy zmiany te mają charakter periodyczny.
Jaki jest okres tych zmian?
6. W miejsce ekranu ustawić fotodiodę. Wiązka światła powinna równomiernie oświetlać
fotodiodę.
7. Ustawić kąt skręcenia płaszczyzny polaryzatora tak, aby przy 90
o
na analizatorze
następowało całkowite wygaszenie światła. Następnie nie zmieniać ustawienia polaryzatora.
8. Zmieniając od 0 do 360
o
kąt skręcenia analizatora , odczytywać wartości sygnału
fotodiody (proporcjonalne do natężenia światła I) i zapisywać w tabeli. Krok dobrać na
podstawie dyskusji z prowadzącym ćwiczenie.
9. Zdjąć analizator i zmierzyć maksymalny sygnał fotodiody I
o
gdy światło przechodzi tylko
przez polaryzator.
Dyfrakcja
10.Zdjąć polaryzator i fotodiodę.
11.Na ławie optycznej, blisko lasera, ustawić szczelinę o regulowanej aperturze i ekran. Na
ekranie umieszczonym jak najdalej od szczeliny uzyskać obraz dyfrakcyjny. Zwrócić uwagę
na konieczność centrowania szczeliny przy pomocy regulacji przesuwu poziomego.
12.Zaobserwować zmiany położenia kolejnych minimów i maksimów natężenia światła przy
różnym stopniu otwarcia szczeliny. Zaobserwować obraz na ekranie w dwóch skrajnych
przypadkach: a) gdy szczelina jest bardzo szeroka, w porównaniu z długością fali, b) gdy
szczelina jest bardzo wąska. Zastanowić się jak można uzasadnić teoretycznie wyniki tych
obserwacji.
13.Przystępując do części pomiarowej tego ćwiczenia, w której będzie wyznaczany rozkład
natężenia światła I(x) uzyskany w wyniku dyfrakcji, należy uzgodnić z asystentem warunki
pomiaru tj. szerokość szczeliny a, krok z jakim zmieniać należy położenie fotodiody x,
zakres pomiarowy dla x, itd.
14.W miejscu ekranu ustawić fotodiodę. Zmieniając położenie w poziomie przy pomocy śruby
mikrometrycznej zapisywać w tabelce zarówno położenie x odczytywane bezpośrednio ze
śruby jak i sygnał proporcjonalny do natężenia światła odczytywany na wskaźniku
cyfrowym. W czasie pomiaru nie zmieniać szerokości szczeliny. Zwrócić uwagę na to, aby
wyniki pomiaru objęły co najmniej dwa pierwsze minima obrazu dyfrakcyjnego
rozmieszczone symetrycznie po obu stronach maksimum centralnego (prążka zerowego).
Uwaga: najwygodniej jest przesuwać śrubę mikrometryczną zawsze w jednym kierunku.
15.Pomiary powtórzyć dla kolejnych, wskazanych przez asystenta, szerokości szczeliny.
16.Zmierzyć odległość fotodetektora od szczeliny.
17.Przedyskutować uzyskane wyniki z asystentem prowadzącym ćwiczenie. Po uzyskaniu
zgody na zakończenie ćwiczenia, wyłączyć zasilanie lasera i fotodiody. Uporządkować
stanowisko pomiarowe.