´ Uloha cˇ . 1 - Polarizace svˇeteln´eho z´aˇren´ı ´ N´azev a cˇ´ıslo ulohy Datum mˇerˇ en´ı Mˇerˇ en´ı provedli Vypracoval Datum Hodnocen´ı
1
4. 5. 2011 Tom´asˇ Zikmund, Jakub K´akona Jakub K´akona
Zjiˇstˇen´ı polarizace LASERu
Pro zjiˇstˇen´ı polarizace laseru bylo nejdˇr´ıve tˇreba urˇcit orientaci line´arn´ıho polarizaˇcn´ıho filtru, to jsme provedli nalezen´ım minima intenzity svˇetla odraˇzen´eho od sklenˇen´e destiˇcky. D´ıky tomu, zˇ e odraˇzen´e svˇetlo je polarizovan´e kolmo na rovinu dopadu (Pˇri Brewterovˇe u´ hlu dopadu), bylo zˇrejm´e zˇ e v takov´em pˇr´ıpadˇe m´ame polarizaˇcn´ı filtr orientovan´y kolmo na polarizaci svˇetla. A orientace filtru je tedy v ose kolm´e na rovinu destiˇcky. Toto zjiˇstˇen´ı pak n´aslednˇe korelovalo se znaˇckami na krouˇzku filtru. Potom bylo snadn´e urˇcit rovinu line´arn´ı polarizace LASERu nalezen´ım minima prochozej´ıc´ıho z´aˇren´ı vzhledem k natoˇcen´ı filtru. T´ımto zp˚usobem jsme zjistili, zˇ e LASER byl polarizovan´y kolmo na desku pracovn´ıho stolu.
2
Ovˇerˇ en´ı Malusova z´akona
Malus˚uv z´akon jsme ovˇeˇrili mˇeˇren´ım intenzity z´aˇren´ı za polarizaˇcn´ım filtrem v polarizovan´em svazku He-Ne LASERu. Pˇri ot´acˇ en´ı filtrem jsem postupnˇe namˇeˇrili z´avislost intenzity na pozici filtru. Tabulka 1: Namˇeˇren´e hodnoty intenzity za polarizaˇcn´ım filtrem ´ Uhel filtru [◦ ] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
1
intenzita[-] 0,3 2,9 9,7 20,3 34,1 48 61 72,4 79,1 81,5 79 72 61,7 49,9 35 22 10 2,9 0,3
Obr´azek 1: Ovˇeˇren´ı Malusova z´akona
I = I0 cos2 α
(1)
Namˇeˇrenou z´avislost jsme d´ale nafitovali funkc´ı 1 a vynesli do grafu. Namˇeˇren´e odchylky v˚ucˇ i teorii jsou minim´aln´ı a lze je povaˇzovat za chybu mˇeˇren´ı.
3
Zmˇena line´arn´ı polarizace na kruhovou
Line´arn´ı polarizaci LASERu, jsme zmˇenili na kruhovou pomoc´ı cˇ tvrt-vlnov´e destiˇcky, tak zˇ e jej´ı rychlou osu jsme natoˇcili pod u´ hlem 45◦ od osy polarizace laseru. T´ım v podstatˇe doˇslo k symetrick´emu rozloˇzen´ı p˚uvodn´ı polarizace do obou os cˇ tvrt vlnov´e destiˇcky (rychl´e a pomal´e), kde mezi vlnami doˇslo k f´azovemu spoˇzdˇen´ı π/2 a n´asledn´emu vzniku kruhovˇe polarizovan´eho z´aˇren´ı. To jsme ovˇeˇrili vloˇzen´ım line´arnˇe polarizaˇcn´ıho filtru do kruhovˇe polarizovan´eho svazku a namˇeˇrili proˇslou intenzitu 34,7 jednotek t´emˇeˇr nez´avisle na u´ hlu natoˇcen´ı filtru. Zbytkov´a z´avislost byla zp˚usobena m´ırnou eliptiˇcnost´ı v´ysledn´e polarizace a donastaven´ım retardaˇcn´ı destiˇcky ji bylo moˇzn´e zmenˇsit na zanedbatelnou hodnotu.
4
Natoˇcen´ı roviny polarizace
Rovinu polarizace LASERu jsme pootoˇcili pouˇzit´ım p˚ulvlnn´e destiˇcky, jej´ızˇ rychlou osu jsem natoˇcili v u´ hlu 20◦ coˇz zp˚usobilo rozloˇzen´ı intenzit do obou os destiˇcky, takov´ym zp˚usobem, zˇ e sloˇzen´ım s vlnou spoˇzdˇenou o π vznikla line´arn´ı polarizace pootoˇcen´a o 40◦ oproti p˚uvodn´ı orientaci polarizace.
2
Tabulka 2: Vlastn´ı absorpce r˚uzn´ych typ˚u polarizaˇcn´ıch filtr˚u v relativn´ıch jednotk´ach Typ po pr˚uchodu pˇr´ımo rozd´ıl Absorpce [%]
hranol 82,1 98,1 16,0 16,3
polymer 76,3 99,7 23,4 23,5
Obr´azek 2: Polarizaˇcn´ı stav svˇetla za depolarizerem
5
Depolarizace svazku
Depolarizaci svazku jsme realizovali depolarizatorem, coˇz je optick´y prvek sloˇzen´y ze dvou brouˇsen´ych kl´ın˚u z nichˇz jeden je dvoulom´y. Princip prvku sppoˇc´ıv´a v rozloˇzen´ı vstupuj´ıc´ıho svˇetla na dvˇe navz´ajem ortogon´alnˇe polarizovan´e sloˇzky. D´ıky kl´ın˚um jsou nav´ıc obˇe sloˇzky rozdˇeleny do dvou svazk˚u, kter´e nejsou u´ plnˇe ide´alnˇe rovnobˇezˇ n´e a na st´ın´ıtku tak m˚uzˇ eme pozorovat dva body. Pˇri osvˇetlen´ı depolariz´atoru line´arnˇe polarizovan´ym svˇetlem doch´az´ı k rozdˇelen´ı energi´ı v z´avislosti na u´ hlu natoˇcen´ı depolariz´atoru a mezi svazky se tak pˇrel´ev´a energie. K tomuto jevu nedoch´az´ı, pokud je depolariz´ator pouˇzit na kruhovˇe polarizovan´e svˇetlo. Polarizace v´ystupn´ıch svazk˚u ale z˚ust´av´a zachov´ana a je moˇzno vyb´ırat kaˇzd´y z v´ystupn´ıch svazk˚u line´arn´ım polarizaˇcn´ım filtrem.
6
Urˇcen´ı stupnˇe polarizace
Stupeˇn polarizace jsme urˇcili zmˇeˇren´ım intenzit v´yznaˇcn´ych polarizaˇcn´ıch stav˚u. Z tˇech bylo moˇzn´e vypoˇc´ıtat Stokesovy pametry a urˇcit tak typ a stupeˇn polarizace. Z namˇeˇren´ych v´ysledk˚u je vidˇet, zˇ e depolariz´ator svˇetlo nedepolarizuje u´ plnˇe, ale jenom cˇ a´ steˇcnˇe a v z´avislosti na jeho nastaven´ı pˇrevl´ad´a nˇekter´a z line´arn´ıch polarizac´ı. 3
Tabulka 3: Namˇeˇren´e hodnoty polarizaˇcn´ıch parametr˚u pro depolariz´ator I0 60
I90 22
I45 60
I135 20
ICL 39
ICR 39
Tabulka 4: Vypoˇc´ıtan´e hodnoty Stokesov´ych parametr˚u polarizaˇcn´ıho stavu za depolariz´atorem s0 82
s1 38
s2 40
s3 0
Obr´azek 3: Polarizaˇcn´ı stav svˇetla LASERu
Tabulka 5: Namˇeˇren´e hodnoty polarizaˇcn´ıch parametru pro HeNe LASER I0 81,8
I90 0,3
I45 39
I135 7,2
ICL 42
ICR 43
Tabulka 6: Vypoˇc´ıtan´e hodnoty Stokesov´ych parametr˚u polarizaˇcn´ıho stavu LASERu s0 82,1
s1 81,5
4
s2 31,8
s3 1
Obr´azek 4: Polarizaˇcn´ı stav svˇetla LASERu proˇsl´eho samolepic´ı p´askou
Stupeˇn polarizace LASERu n´am vyˇsel, jako line´arn´ı polarizace s hodnotou 1,06 coˇz je pravdˇepodobnˇe zp˚usobeno fluktuac´ı v´ykonu v cˇ ase, protoˇze vˇsechny mˇeˇren´e polarizaˇcn´ı parametry nebylo moˇzn´e urˇcit v jeden okamˇzik. Nav´ıc se do celkov´eho v´ykonu m˚uzˇ e prom´ıtnout r˚uzn´a obsorpˇcn´ı ztr´ata pˇri rekonfiguraci aparatury pro mˇeˇren´ı kruhov´ych polarizac´ı. Avˇsak n´ami zmˇeˇren´a absorpce destiˇcky byla pouze 4 jednotky. Tabulka 7: Namˇeˇren´e hodnoty polarizaˇcn´ıch parametru pro samolep´ıc´ı p´asku I0 1,5
I90 62
I45 39
I135 24,2
ICL 32
ICR 29
Tabulka 8: Vypoˇc´ıtan´e hodnoty Stokesov´ych parametr˚u polarizaˇcn´ıho stavu po pr˚uchodu samolep´ıc´ı p´askou s0 63,5
s1 -60,5
s2 14,8
s3 -3
Z namˇeˇren´ych v´ysledk˚u pro samolep´ıc´ı p´asku lze usoudit, zˇ e p´aska se po HeNe laser chov´a jako p˚ulvlnn´a destiˇcka a st´acˇ´ı rovinu polarizace. Intenzity kruhov´e polarizace jsme mˇeˇrili s pouˇzit´ım cˇ tvrt vlnn´e destiˇcky, jej´ı rychlou osu jsme si orientovali kolmo k pracovn´ı desce. N´aslednˇe bylo moˇzn´e snadno polarizaˇcn´ım filtrem pˇrep´ınat mezi provotoˇcivou a levotoˇcivou polarizac´ı nastaven´ım filtru do pozice 45◦ cˇ i 315◦ .
5
Obr´azek 5: Grafick´e zn´azornˇen´ı funkce p˚ulvlnn´e ratardaˇcn´ı destiˇcky
Obr´azek 6: Vliv cˇ tvrtvlnn´e destiˇcky na polarizaˇcn´ı stav svˇetla
6
Reference ˇ ´ [1] Kolektiv KFE FJFI CVUT: Uloha cˇ . 1 - Polarizace svˇeteln´eho z´arˇen´ı , [online], [cit. 10. kvˇetna 2011], http://optics.fjfi.cvut.cz/files/pdf/ZPOP 01.pdf [2] Wikipedia: Wave plate, [online], [cit. 10. kvˇetna 2011], http://en.wikipedia.org/wiki/Wave plate
7
