Polarizacija laserske svetlobe

Transcript

1 Polarizacija laserske svetlobe Optični izolator izvedba z uporabo λ/4 retardacijske ploščice Odboj polarizirane svetlobe na meji zrak-steklo; Brewster-ov kot

2 Definicija naloge predstavitev teoretičnega ozadja: opis pojava (kaj je polarizacija, vrste polarizacije) in opis optičnih komponent (polarizator, retardator) Praktična sestava optičnega sistema - izolatorja in pravilna umestitev ključnih optičnih komponent

3 Svetloba je transverzalno elektromagnetno valovanje. Sestavljata jo med seboj pravokotni komponenti: jakost električnega polja (E) in gostota magnetnega polja (B).

4 Polarizacija je lastnost valovanja, ki opisuje smer nihanja električnega polja. V splošnem je polarizacija svetlobe eliptična, v posebnih primerih pa je linearna ali krožna: linearno krožno eliptično

5 Pri linearni polarizaciji niha vektor E vedno v isti ravnini, njegovi komponenti, E X in E Y, pa sta v fazi. Pri krožni polarizaciji sta komponenti vektorja E v faznem razmiku p/2.

6 Polarizator je optični element, ki žarek elektromagnetnega valovanja s poljubno polarizacijo, spremeni v žarek z določeno polarizacijo: Linearni polarizator: poljubno polarizacijo spremeni v linearno polarizacijo Krožni polarizator: Poljubno polarizacijo spremeni v krožno Sestavljen je iz linearnega polarizatorja in λ/4 retardacijske ploščice (zakasnitev med Ex in Ey je p/2) Ključna je pravilna orientacija optičnih osi obeh komponent!

7 Retardacijska ploščica (retardacija = zakasnitev) Retardacijska ploščica je ploščica iz dvolomne snovi, odrezana tako, da leži optična os v ravnini, ki je vzporedna vstopni oz. izstopni ploskvi. Če vpada svetloba pravokotno na ploščico, imata različni polarizaciji (Ex-redni in Eyizredni ) različno hitrost širjenja. Posledica je fazna razlika na izstopu. Primer: l/2 ploščica p Za l/4 ploščico velja:

8 Princip delovanja: Linearno polarizirano svetlobo pošljemo skozi krožni polarizator. Krožno polarizirana svetloba se odbije od zrcala, pri čemer se ji spremeni smer krožne polarizacije. Po ponovnem prehodu skozi retardator je smer linearne polarizacije pravokotna glede na smer linearne polarizacije vpadnega žarka. Polarizator zato odbitega žarka ne prepusti. Sistem dobro deluje le v primeru pravilne orientacije retardatorja glede na polarizator! V primeru drugačne orientacije moč odbitega žarka ni = 0. Odvisnost prepuščene moči od zasuka δ med smerjo linearnega polarizatorja in optično osjo λ/4 ploščice(p 0 je max. prepuščena moč): P P 2 cos (2 ) 0

9 Realizacija optičnega izolatorja Uporabljene optične komponente: He-Ne laser, linearni polarizator, λ/4 retardacijska ploščica, zrcalo fotodioda

10 Postavitev merilne verige in izvedba poizkusa: Postavite zrcalo tako, da se bo izhodni žarek odbil v smeri laserskega izvora in vpadel na aktivno površino fotodiode. Pred laserski izvor postavite linearni polarizator in λ/4 retardacijsko ploščico. Oba elementa sta v vrtljivem nosilcu. Oba elementa naj stojita tesno skupaj in bližje ogledalu (glej fotografijo postavitve!) tako, da bosta izhodni in odbiti žarek potovala skozi polarizator in retardator. Po potrebi popravite položaj fotodiode. Z vrtenjem enega od obeh polarizacijskih elementov se bo spreminjala moč odbitega žarka, ki se bo odrazila kot sprememba napetosti fotodiode, katero odčitavate z voltmetrom. Element zavrtite za 180 s korakom 10 in vsakokrat odčitajte napetost. Začnite pri kotu, ko je odbiti žarek najmočnejši*. Narišite teoretično odvisnost moči odbitega žarka od kota zasuka in v graf vrišite izmerjene vrednosti (19 odčitkov). Ordinatna vrednost naj bo normirana glede na max. izmerjeno vrednost*! Obrazložite dogajanje! Razložite vzroke morebitnih odstopanj izmerkov od teoretičnih predvidevanj!

11 Polarizacija laserske svetlobe Odboj Definicija naloge predstavitev teoretičnega ozadja: odboj svetlobe na stekleni površini pri čemer se spreminja vpadni kot; vpliv polarizacije vpadle svetlobe, Praktična sestava merilnega optičnega sistema, pravilna nastavitev vrtljive steklene plošče, merjenje moči odbite svetlobe v odvisnosti od zasuka steklene plošče pri dveh karakterističnih smereh polarizacije, Grafični prikaz izmerjenih in teoretičnih rezultatov primerjava.

12 Polarizacija laserske svetlobe Odboj Snellov lomni zakon - smer širjenja valovanja p polarizacija Θi vpadni kot Θt kot loma n1, n2 lomni količnik medija Fresnelove enačbe odbojnost R za s in p polarizacijo Vpadna ravnina na sliki sovpada z ravnino tega lista! s (senkrecht) električno polje niha v smeri pravokotno na vpadno ravnino p (parallel) električno polje niha v smeri vpadne ravnine

13 Polarizacija laserske svetlobe Brewstrov zakon Fresnelove enačbe podajajo naslednje ugotovitve: Odbojnosti s in p polarizirane svetlobe se med seboj razlikujeta, enaki sta le pri pravokotnem vpadu svetlobe in vpadnem kotu 90, odbiti in prepuščeni svetlobi se spreminja razmerje med s in p polarizirano komponento -> uporabno za polarizator, Pri p polarizirani svetlobi obstaja vpadni kot, ko je odbojnost nična Brewster-jev kot, tedaj je kot med odbitim in lomljenim žarkom enak 90. n 2 >n 1 Brewsterjev kot:

14 Polarizacija laserske svetlobe Brewstrov zakon Optični sistem za merjenje kotne odvisnosti odbojnosti: He-Ne laserski izvor linearni polarizator rotacijski nosilec steklene ploščice in fotodiode voltmeter (odčitavanje vrednosti odbite moči) steklena plošča He-Ne laser fotodioda Linearni polarizator rotacijski nosilec

15 Polarizacija laserske svetlobe Brewstrov zakon Izvedba poizkusa: Pred laserski izvor postavi linearni polarizator v vrtljivem nosilcu. Postavi rotacijski nosilec tako, da bo laserski žarek vpadal na sredino steklene plošče. Nosilec plošče zavrti in utrdi (z vijakom) tako, da bo odbita svetloba v celoti padla v odprtino fotodiode. Z vrtenjem rotacijskega nosilca preveri, ali odbiti žarek vpada na fotodiodo v celotnem obsegu merjenja vpadnega kota. Zavrti linearni polarizator tako, da bo prepuščena svetloba polarizirana v ravnini, vzporedni z osnovno ploščo/mizo (p polarizacija za stekleno ploščo!). Pri nastavitvi polarizatorja upoštevaj, da pri tej polarizaciji obstaja Brewster-jev kot! Izmeri kotno odvisnost odbojnosti s kotno resolucijo 5 (v območju, ki ga merilni sistem omogoča) za s in p polarizirano svetlobo (za meritev s s polarizirano svetlobo zavrti linearni polarizator za 90º). Izmerjene vrednosti doriši v diagram s teoretično določeno kotno odvisnostjo odbojnosti. Podatki morajo biti normirani (vrednosti med 0 in 1) glede na max. vrednost (pri 90º vpadnem kotu; laser sveti direktno v fotodiodo)! Pri teoretičnem izračunu upoštevajte: n1=1 (zrak); n2=1,52 (natrijevo steklo).

16 Polarizacija laserske svetlobe Brewstrov zakon Končni rezultat: normirani odčitki in teoretična odvisnost odbojnosti