425 Polarisationszustand des Lichtes

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1 45 Polarisatioszustad des Lichtes. Aufgabe. Bestimme Sie de Polarisatiosgrad vo Licht ach Durchgag durch eie Glasplattesatz, ud stelle Sie de Zusammehag zwische Polarisatiosgrad ud Azahl der Glasplatte grafisch dar!. Schicke Sie liear polarisiertes Licht durch eie Aalysator, ud messe Sie die Itesität i Abhägigkeit vo der Aalysatorstellug. Fertige Sie auch dazu ei Diagramm a!.3 Fide Sie heraus, welche Art der Polarisatio durch eie vorgegebee ubekate Polarisator ( black box ) erzeugt wird!. Grudlage Stichworte : Freselsche Formel, Polarisatio durch Reflexio, Brewsterwikel, atürliches Licht, lieare, zirkulare ud elliptische Polarisatio, Doppelbrechug, /4 ud /-Platte, Methode zur Veräderug der Lichtpolarisatio. Polarisatio Licht ist eie trasversale elektromagetische Welle. Das heißt, dass der Vektor der elektrische Feldstärke E immer i eier Ebee sekrecht zur Lichtausbreitugsrichtug liegt. Bei atürlichem (upolarisiertem) Licht verädert der E-Vektor seie Lage statistisch. Bei eier polarisierte Welle higege beschreibt er eie gaz bestimmte Bah (Kreis, Ellipse bzw. Gerade), woraus sich die verschiedee Polarisatiosarte (zirkular, elliptisch ud liear) ergebe. Zur Herstellug vo liear polarisiertem Licht existiere mehrere Möglichkeite (vgl. Literatur). Eifache Polarisatore wie z.b. der im Versuch verwedete Aalysator bestehe aus spezielle Kuststoffolie. Eie adere Möglichkeit ist die Polarisatio durch Reflexio vo Licht a eier Glasplatte, we diese i eiem gaz bestimmte Wikel zur Eifallsrichtug steht (Brewster-Wikel). Der reflektierte Ateil (etwa %) ist da vollstädig liear polarisiert, das durchgelassee Licht ist teilweise liear polarisiert. Durch Aordug mehrerer solcher Glasplatte hitereiader ka der Polarisatiosgrad für Trasmissio schrittweise erhöht werde.. Polarisatiosgrad Polarisatiosgrad p ist das Verhältis der Itesität des liear polarisierte Lichtes zur Gesamtitesität des aus upolarisierte ud liear polarisierte Ateile bestehede Lichtes. Ma bestimmt p, idem ma eie Aalysator i de Strahlegag stellt ud i Abhägigkeit 45-Polarisatioszustad vo Licht Seite vo 5 0/3

2 vo desse Stellug die hidurchgelassee Itesität ermittelt. Sid I max bzw. I mi die maximale bzw. die miimale Itesität, da erhält ma für de Polarisatiosgrad p I I max max - I + I mi mi (). Die Defiitio wurde so gewählt, dass bei atürlichem Licht (I max = I mi ) der Polarisatiosgrad Null bzw. bei vollstädig liear polarisiertem Licht (I mi = 0) Eis ist. Der Polarisatiosgrad vo teilweise liear polarisiertem Licht liegt zwische Null ud Eis. Für eie Glasplattesatz ka ma uter der Voraussetzug, dass die Glasplatte uter dem Brewsterwikel zum eifallede Lichtstrahl stehe, aus de Freselsche Formel folgede Formel für de Polarisatiosgrad herleite: p = + N N ()... Brechzahl der Glasplatte ( =, 557 für BK7-Glas) N... Azahl der Glasplatte. Bei dem verwedete Glasplattesatz sid die Glasplatte scho uter dem Brewsterwikel ageordet..3 Bestimmug der Polarisatiosart eier black box Hier sid folgede Fälle möglich: Aus der black box komme a) liear polarisiertes Licht b) atürliches Licht c) zirkular polarisiertes Licht d) elliptisch polarisiertes Licht e) Mischlicht aus a bis d. Mit de Maßahme I bis III ka eie Aalyse des ubekate Polarisatioszustades durchgeführt werde. (vgl. dazu auch Bild : Übersicht am Ede dieser Versuchsaleitug). Bild : Schema des Versuchsaufbaus Bild : Schema des Versuchsaufbaus. 45-Polarisatioszustad vo Licht Seite vo 5 0/3

3 Maßahme I: Drehe des Aalysators a) Falls die black box liear polarisiertes Licht erzeugt, muss es eie Aalysatorstellug gebe, bei der völlige Dukelheit erreicht wird. Liegt teilweise liear polarisiertes Licht vor, muss die Itesität ei Miimum habe, da der liear polarisierte Ateil icht durch de Aalysator durchgelasse wird. b) Fällt zirkular polarisiertes, teilweise zirkular polarisiertes oder atürliches Licht auf de Aalysator, so ädert sich die Helligkeit bzw. der gemessee Strom icht, da der Feldstärkevektor i jede Richtug de gleiche Betrag hat. c) Erzeugt die black box elliptisch polarisiertes oder teilweise elliptisch polarisiertes Licht, so wechselt die Helligkeit. Maßahme II: Verwedug eies /4-Plättches Allei mit dem Aalysator lässt sich also die Polarisatiosart des Lichtes (außer we es vollstädig liear polarisiert ist) icht feststelle. Zur weitere Aalyse wird ei /4-Plättche beutzt. Das ist eie Platte aus doppelbrechedem Material, dere Dicke so gewählt wird, dass die Phasedifferez zwische dem ordetliche ud außerordetliche Strahl beim Durchgag durch de Kristall / (das etspricht eiem Gaguterschied vo /4) beträgt. Als Achse des /4-Plättches werde die Polarisatiosrichtuge des ordetliche bzw. außerordetliche Strahls bezeichet. Sie stehe sekrecht aufeiader. Ei /4- Plättche bewirkt immer ur für eie bestimmte Welleläge eie Phasedifferez vo geau /. Im Versuch wird die grüe Hg-Liie bei = 546,0 m verwedet. Fällt liear polarisiertes Licht, desse Polarisatiosrichtug parallel zu eier der beide Achse ist, auf das Plättche, so verlässt wieder liear polarisiertes Licht das /4-Plättche. Bildet die Polarisatiosrichtug des eifallede Lichtes eie Wikel vo 45 mit de Achse, so etsteht zirkular polarisiertes Licht. Bei eiem Wikel, der vo 0 ud 90 verschiede ist, erhält ma elliptisch polarisiertes Licht. Dieser Vorgag ist auch umkehrbar, d.h. eifalledes zirkular bzw. elliptisch polarisiertes Licht verlässt bei etsprecheder Achsestellug das /4-Plättche als liear polarisiertes Licht. Damit ka ma die Polarisatiosrichtug wie folgt eigreze: Das /4-Plättche wird zwische black box ud Aalysator i de Strahlegag gesetzt. Eifalledes atürliches Licht verlässt das /4-Plättche wieder als atürliches Licht. Ma wird also eie gleichbleibede Helligkeit beim Drehe des Aalysators beobachte. Zirkular polarisiertes Licht wird vom /4-Plättche i liear polarisiertes Licht umgewadelt. Hiter dem Aalysator muss bei eier Aalysatorstellug also völlige Dukelheit herrsche. Falls ur teilweise zirkular polarisiertes Licht eifällt, erhält ma beim Drehe des Aalysators Itesitätsschwakuge. Es wird jedoch keie völlige Dukelheit erreicht. Maßahme III: Kombiatio vo I ud II We bis hierher die geaue Art der Polarisatio och icht ermittelt werde kote, muss ma och eie Schritt weitergehe. Ma bestimmt zuerst ohe /4-Plättche die Aalysatorstellug, bei der ei Miimum vorliegt. Ei /4-Plättche wird so eigesetzt, dass eie Achse des /4-Plättches parallel zu dieser Aalysatorstellug ist. Es bewirkt, dass aus 45-Polarisatioszustad vo Licht Seite 3 vo 5 0/3

4 dem elliptisch polarisierte Ateil liear polarisiertes Licht etsteht. Jetzt dreht ma de Aalysator ud beobachtet die Itesität. Ma ka sich u leicht überlege, dass im Allgemeie das Miimum der Itesität jetzt bei eier adere Aalysatorstellug liegt. Fällt völlig elliptisch polarisiertes Licht ei, etsteht völlig liear polarisiertes Licht, d.h. die Helligkeit beim Drehe des Aalysators erreicht bei eier Stellug Null. Das Miimum liegt, wie scho gesagt, bei eier adere Aalysatorstellug. Ist das eifallede Licht teilweise liear polarisiert ud fällt parallel zu eier Achse des /4-Plättches ei (das wird durch die obe erwähte Maßahme gewährleistet), so bleibt es liear polarisiertes Licht. Somit fällt auch das jetzt beim Drehe des Aalysators festgestellte Miimum mit der vorher ermittelte Miimumrichtug zusamme. 3. Versuchsdurchführug Als erstes ist die Hg-Lampe eizuschalte, da sie etwa 0 mi zum Erwärme braucht ud erst da gleichbleibede Lichtitesität liefert. Währed des Versuches darf die Lampe icht abgeschaltet werde, weil eie heiße Quecksilberdampflampe icht wieder züdet. Die Itesität des Lichtes wird mit eier Fotodiode, a die ei Messgerät geschaltet ist, gemesse. - Bestimme Sie zuächst die Durchlassrichtug des Aalysators uter Zuhilfeahme des Glasplattesatzes, der Licht mit horizotaler Schwigugsebee durchlässt. - Bestimme Sie daach die Lage der Achse des /4-Plättches mit Hilfe des Glasplattesatzes ud des Aalysators Jetzt ka mit der eigetliche Messug (Aufgabe. bis.3) begoe werde: 3. (zu Aufgabe.) Bestimme Sie de Polarisatiosgrad für,, 4, 8 ud 6 Platte. Trage Sie sowohl Ihre Messwerte als auch die ach Gl. berechete Vergleichswerte i ei Diagramm ei. Diskutiere Sie mögliche Abweichuge zwische Experimet ud Theorie. 3. (zu Aufgabe.) Nutze Sie zur Erzeugug des liear polarisierte Lichtes de Glasplattesatz mit 6 Platte. Messe Sie die Itesität ach Durchgag durch de Aalysator über eie volle Drehug i 0 - Schritte. Zeiche Sie die Messkurve ud überlege Sie, welche mathematische Fuktio ihr zugrude liegt. 3.3 (zu Aufgabe.3) Verfahre Sie so, wie i Abschitt.3 beschriebe (Schema Bild ). Berücksichtige Sie dabei das Auftrete uvermeidlicher Messugeauigkeite (z.b. wird im Versuch das Miimum der Itesität iemals exakt Null betrage). Schließe Sie aus der gefudee Polarisatiosart auf de Ihalt der black box. Literatur: siehe Lik: 45-Polarisatioszustad vo Licht Seite 4 vo 5 0/3

5 Bild : Schema zur Aalyse des Polarisatioszustads vo Licht. 45-Polarisatioszustad vo Licht Seite 5 vo 5 0/3