polarizace světla
Úvod
Světlo
Způsoby polarizace
Využití polarizace
Demonstrace
• Příprava a měření lineární
   polarizace světla
• Konstrukce polarizačního
   hranolu
• Opticky aktivní látky
• Měření stupně polarizace
   pro různé zdroje světla
Závěr

Příprava a měření lineární polarizace světla

Úkol:

Příprava lineárně polarizovaného světla s využitím polarizačně citlivé absorpce (polarizační fólie) a experimentální ověření platnosti Mallusova zákona.


Pomůcky:

He-Ne laser (633 nm) s výkonem < 1 mW, zrcátka, 2x polarizační filtr otočný se stupnicí, 1x čtvrtvlnová destička otočná se stupnicí, 1x digitální multimetr s detektorem, stínítko.


Teorie:

Při průchodu světla polaroidem se jedna elektrická složka světelného vlnění pohlcuje a část světla, jejíž vektor je na tento směr kolmý, polaroidem prochází. To současně znamená, že při průchodu světla polaroid procházející světlo zeslabuje. Souvisí s tím Mallusův zákon, který říká, že pokud je do paprsku světla s intenzitou I0 umístěn polarizační filtr, pak světlo po průchodu tímto polarizačním filtrem má intenzitu

,

kde I0 je počáteční intenzita světla a je úhel, který svírá rovina polarizace světelného paprsku a osa polarizačního filtru.

Lineárně polarizované světlo, jehož zdrojem je laser, prochází polarizačními filtry, které jsou v nepropustném stavu. To znamená, že osy polarizace těchto filtrů svírají úhel 90° (jsou navzájem kolmé) a intenzita prošlého světla je nulová. Mezi tyto 2 filtry je vložena čtvrtvlnová destička, která rovinu polarizace světla po průchodu otočí, takže se světlo po průchodu chová jako nepolarizované. V závislosti na natočení čtvrtvlnové destičky se mění intenzita prošlého světla druhým polarizátorem. Jestliže intenzita prošlého světla bude maximální, znamená to, že rovina polarizace světla byla otočena o 90°, protože polarizační filtry jsou ve stavu nepropustném (navzájem k sobě kolmé).


Tabulka pro předpokládaný tvar naměřeného grafu závislosti výkonu na natočení čtvrtvlnové destičky. V tabulce je podle Mallusova zákona vypočítána aktuální hodnota intenzity světla pomocí počáteční intenzity světla I0 a úhlu natočení čtvrtvlnové destičky . Velikost počáteční intenzity je náhodně zvolena: I0 = 443 µW


Úhel natočení Intenzita světla I / µWÚhel natočení Intenzita světla I / µW
443,0 105° 29,7
15°413,3 120°110,8
30°332,3 135°221,5
45°221,5 150°332,3
60°110,8 165°413,3
75° 29,7 180°443,0
90°  0,0 195°413,3
Tabulka č. 3 Závislost intenzity světla na úhlu natočení

Postup:
  1. Sestavil jsem měřící aparaturu (obrázek č. 5.1).
  2. Nastavil jsem úhel, který svírají osy polarizačních filtrů na 90° (intenzita procházejícího světla bude nulová).
  3. Vložil jsem čtvrtvlnovou destičku mezi polarizační filtry.
  4. Nastavil jsem velikosti intenzity procházejícího světla na nulovou pomocí čtvrtvlnové destičky.
  5. Otáčel jsem čtvrtvlnovou destičkou a zapisoval hodnoty velikosti intenzity prošlého světla a úhel otočení destičky do tabulky. Destičkou jsem otáčel vždy o úhel 15° v rozmezí od    -15° do 195°
  6. Naměřené hodnoty jsem vynesl do grafu.

Obrázek č. 5.1 Schéma pro přípravu lineárně polarizovaného světla

Graf č. 1 Závislost výkonu na natočení destičky

Závěr:

Pomocí polarizačních filtrů jsem připravil lineárně polarizované světlo. Použitím čtvrtvlnové destičky jsem si ověřil, že světlo po průchodu polarizačním filtrem je lineárně polarizované. K tomuto ověření jsem využil Mallusův zákon o velikosti intenzity prošlého světla a znalosti o lineárně polarizovaném světle. Intenzita prošlého světla se měnila dvakrát, poprvé po průchodu první destičkou a následně po průchodu druhou. Díky čtvrtvlnové destičce jsem mohl otáčet rovinu polarizovaného světla a měřit tak intenzitu po průchodu druhým filtrem, aniž bych měnil nastavení polarizačních filtrů.

Konstrukce polarizačního hranolu

Úkol:

Bude provedena konstrukce a ověření vlastností polarizačního hranolu založeného na krystalu kalcitu CaCO3 (islandský vápenec).


Pomůcky:

He-Ne laser (633 nm) s výkonem < 1 mW, zrcátka, 1x půlvlnová destička otočná se stupnicí, 1x digitální multimetr s detektorem, stínítko, krystal kalcitu CaCO3.


Teorie:

V článku 3.4 Polarizace dvojlomem jsem již o krystalu kalcitu hovořil a uvedl způsob získání polarizovaného světla. Krystal kalcitu při průchodu světla procházející světlo štěpí na paprsek řádný a paprsek mimořádný. Když budeme krystalem otáčet, pak zůstává původní obraz v klidu a nově vzniklý se kolem něj otáčí. Pomocí půlvlnové destičky, kterou umístíme před krystal, můžeme měnit směr lineární polarizace dopadající na krystal (půlvlnová destička neotáčí, ale překlápí lineární polarizaci). Rotace půlvlnové destičky umožňuje spojitě měnit poměr mezi intenzitou řádného a mimořádného paprsku, nebo měnit poměr mezi prošlým a odraženým světlem.


Obrázek č. 5.2 Paprsek řádný a paprsek mimořádný

Postup:
  1. Sestavil jsem měřící aparaturu (obrázek č. 5.3).
  2. Otáčením půlvlnovou destičkou jsem našel minimální a maximální hodnoty výkonu světelného paprsku.
  3. Naměřené hodnoty maximálního a minimálního výkonu řádného a mimořádného světelného paprsku jsem zapsal do tabulky.
  4. Na základě měření jsem ověřil vlastnosti polarizačního hranolu.

Obrázek č. 5.3 Schéma konstrukce polarizačního hranolu

Paprsek řádnýPaprsek mimořádný
Maximální výkon0,779 mW0,660 mW
Minimální výkon8,556 µW1,9 µW
Tabulka č. 4 Velikost intenzity paprsků

Závěr:

Po provedení konstrukce jsem si ověřil vlastnost polarizačního hranolu štěpit světlo na paprsek řádný a paprsek mimořádný. Experimentálně jsem dokázal, že při použití půlvlnové destičky a jejím otáčením se mění intenzita mezi prostupujícím paprskem řádným a mimořádným. Také jsem si ověřil, že úhel dopadu lineárně polarizovaného světla ovlivňuje intenzitu obou paprsků.

Opticky aktivní látky

Úkol:

Cílem úlohy je ověření vlastností opticky aktivních látek a jejich příprava.


Pomůcky:

He-Ne laser (633 nm) s výkonem < 1 mW, zrcátka, 1x digitální multimetr s detektorem, stínítko, kádinka s vodou, roztok s cukrem, polarizační filtr.


Teorie:

O opticky aktivních látkách a jejich schopnosti stáčet kmitovou rovinu jsem již hovořil v kapitole 4.1. Polarimetrie. Úhel otáčení polarizovaného světla je přímo úměrný koncentraci opticky aktivní látky. Měření opticky aktivních látek se provádí na přístroji zvaném polarimetr. Některé látky vykazují tzv. lineární stáčivost, to znamená, že s rostoucí koncentrací roztoku se bude souměrně zvětšovat velikost úhlu otočení kmitové roviny polarizovaného světla (grafem závislosti koncentrace roztoku na úhlu otočení bude přímka).


Postup:
  1. Sestavil jsem měřící aparaturu v pořadí: He-Ne laser; zrcátka; kádinka; polarizační filtr; detektor.
  2. Do kádinky jsem nalil vodu a změřil jsem s využitím nastavení polarizačního filtru maximální intenzitu dopadajícího světla na detektor.
  3. Zapsal jsem si aktuální úhel natočení polarizačního filtru.
  4. Do kádinky s vodou jsem vždy přidal 1 lžičku předem nachystaného, slabého roztoku s cukrem.
  5. V průběhu měření jsem zapisoval všechny úhly, které jsem naměřil.
  6. Naměřené údaje jsem vyhodnotil a zapsal do tabulky.
číslo měřenípočet lžiček v roztokuvelikost úhlu n
1.0 54°10´
2.1 54°30´20´
3.2 54°40´10´
4.3 54°50´10´
5.4 55°00´10´
6.5 55°10´10´
7.6 55°15´
8.7 55°30´15´
Tabulka č. 5 Velikost úhlu v závislosti na počtu lžiček

Závěr:

V úloze jsem si ověřil vlastnosti opticky aktivních látek a experimentem dokázal, že opticky aktivní látky mají schopnost stáčet kmitovou rovinu. Cukr, který jsem použil v experimentu, má vlastnost stáčet kmitovou rovinu vpravo – je tedy pravotočivý. Toho se například využívá v polarimetrii k měření koncentrace cukru v roztoku. Experiment dokázal i to, že roztok stáčel kmitovou rovinu jako půlvlnová destička. Lineární stáčivost, kterou jsem od experimentu očekával, se potvrdila.

Měření stupně polarizace pro různé zdroje světla

Úkol:

Zběžné seznámení s pojmem stupeň polarizace. Experimentální určení stupně polarizace pro He-Ne laser, He-Ne laser po průchodu rozptylujícím prostředím a volitelně další zdroje, například laserové diody a luminiscenční diody (LED). Použité zdroje světla budou vykazovat spojitý optický výkon maximálně 20 mW.


Pomůcky:

He-Ne laser (633 nm) s výkonem < 1 mW, zrcátka, 1x digitální multimetr s detektorem, filtr pohlcující IR záření, zelené laserové ukazovátko (532 nm) s výkonem 5 mW, modré laserové ukazovátko (405 nm) s výkonem 20 mW, kádinka s depolarizačním roztokem (smetana + H2O), čtvrtvlnová destička.


Teorie:

Stupeň polarizace se využívá k popisu části elektromagnetické vlny, která je polarizovaná. Dokonale polarizovaná vlna má stupeň polarizace roven 100%, zatímco nepolarizovaná vlna má stupeň polarizace 0%. Vlny, které jsou částečně polarizovány, budou mít stupeň polarizace mezi 0 - 100%. Stupeň polarizace je vyjádřen jako zlomek polarizované složky světla s ohledem na celkový výkon. Vzorec pro výpočet stupně polarizace je dán rovnicí

,

kde P je stupeň polarizace, Pmax maximální výkon (intenzita) a Pmin minimální výkon.

Necháme-li procházet světelný paprsek roztokem smetany s vodou, stupeň polarizace se začne snižovat a bude se zvětšovat stupeň depolarizace. Tento roztok totiž působí jako rozptylující prostředí, které depolarizuje procházející světelný paprsek. Obecně platí, čím vyšší koncentrace rozptylujícího roztoku, tím větší depolarizace je dosaženo a opačně. Vztah mezi stupněm polarizace s depolarizace je:

P + D = 100 %   =>   P = 100 % - D,

kde P je stupeň polarizace a D stupeň depolarizace vyjádřený v %.

Postup při měření stupně polarizace:
  1. Sestavil jsem měřící aparaturu v pořadí: laser; filtr pohlcující IR záření (pokud je potřeba); čtvrtvlnová destička; detektor.
  2. Laser, který jsem použil jako první, jsem upevnil do držáku a nastavil dle potřeby jeho umístění.
  3. Po zapnutí laseru jsem otáčením čtvrtvlnové destičky našel maximální a minimální výkon světelného paprsku.
  4. Naměřené hodnoty jsem průběžně zapisoval do tabulky a následně jsem vypočítal stupeň polarizace pro použitý laser pomocí uvedené rovnice.
  5. Stejný postup jsem opakoval se zbývajícími lasery.
typ laseruPmax / µWPmin / µWP D
He-Ne laser (633 nm), 1 mW 930 8,9 98,104 % 1,896 %
Z. ukazovátko (532 nm) 5 mW 770 297 44,330 % 55,670 %
M. ukazovátko (405 nm) 20 mW 4360 56 97,464 % 2,536 %
Tabulka č. 6 Stupeň polarizace a depolarizace

Postup při měření stupně depolarizace:
  1. Sestavil jsem měřící aparaturu v pořadí: He-Ne laser (633 nm); depolarizační roztok; čtvrtvlnová destička; detektor.
  2. Nejprve jsem změřil maximální výkon světelného paprsku.
  3. Poté jsem změřil výkon světelného paprsku po průchodu kádinky s vodou.
  4. Následně jsem měřil výkon světelného paprsku výkon světelného paprsku po průchodu kádinky s vodou s 1 lžičkou roztoku smetany a vody.
  5. Postupné přidávání lžiček roztoku jsem opakoval do té doby, než byla kádinka plná.
  6. V průběhu experimentu jsem zapisoval všechna naměřená data, která jsem následně zpracoval v tabulce.
měření stupně depolarizace pro He-Ne laser
průchozí prostředí Pmax / µWPmin / µWstupeň depolarizace D
bez průchozího prostředí 930,0 8,9 1,90 %
voda 743,0 6,6 1,76 %
voda s 1 lžičkou roztoku 450,0 5,2 2,28 %
voda s 2 lžičkami roztoku 274,7 3,6 2,59 %
voda s 3 lžičkami roztoku 201,5 3,0 2,93 %
voda s 4 lžičkami roztoku 165,5 2,6 3,09 %
voda s 5 lžičkami roztoku 135,5 2,2 3,20 %
Tabulka č. 7 Stupeň depolarizace světelného paprsku

Závěr:

Pomocí experimentu jsem určil stupeň polarizace pro He-Ne laser, zelené laserové ukazovátko a pro modré laserové ukazovátko. Podle měření má nejlepší stupeň polarizace He-Ne laser, následován modrým laserovým ukazovátkem a nejhorší stupeň polarizace má zelené laserové ukazovátko. Druhý experiment dokázal, že roztok smetany s vodou dokáže přímo úměrně depolarizovat světelný paprsek. Čím nasycenější roztok je, tím je depolarizace větší a výkon prošlého světelného paprsku menší.