Versuch Polarisiertes Licht

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1 Versuch Polarisiertes Licht Vorbereitung: Eigenschaften und Erzeugung von polarisiertem Licht, Gesetz von Malus, Fresnelsche Formeln, Brewstersches Gesetz, Doppelbrechung, Optische Aktivität, Funktionsweise von Polarisationsfiltern und Phasenplättchen. Literatur: Eugene Hecht: Optik, Oldenburg-Verlag Bergmann-Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band3, Optik, de Gruyter Demtröder: Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik, Springer H. Stöcker: Taschenbuch der Physik, Verlag Hari Deutsch Paul A. Tippler: Physik, Spektrum Akademischer Verlag Allgemeine Hinweise Bei den Versuchen wird mit Laserlicht gearbeitet; achten Sie darauf, dass niemand in den Laserstrahl sieht. Die Oberflächen der Polarisationsfilter, Phasenplättchen und Prismen sind empfindlich. Stellen Sie diese nach dem Gebrauch in die vorgesehenen Halterungen zurück. Sollten Oberflächen verschmutzt sein, lassen Sie eine eventuelle Reinigung dem Versuchsbetreuer oder Praktikumstechniker durchführen. Versuchsdurchführung: 1 Polarisation durch Absorption a) Gesetz von Malus Stellen Sie auf der optischen Bank zwischen den Laser und die Photodiode zur Messung der Lichtintensität einen Polarisationsfilter als Analysator (Durchlassrichtung = Pfeilrichtung). Der Laser emittiert linear polarisiertes Licht dessen E-Feld vertikal (senkrecht zur Tischoberfläche) schwingt. Durch den Analysator wird je nach Winkeleinstellung ein Teil des Lichtes absorbiert. Das transmittierte Licht trifft auf eine Photodiode und ruft einen Photostrom hervor, der proportional zur Lichtintensität ist. Dieser Photostrom wird über den Spannungsabfall an einem Widerstand gemessen (Aufbau siehe Abbildung 1). Messen Sie die Lichtintensität I für verschiedene Analysatorwinkel ϕ A von -90 o bis +90 o in 10 o -Schritten. Stellen Sie die Messwerte graphisch dar und vergleichen Sie mit dem erwarteten Verlauf nach dem Gesetz von Malus I = I 0 cos 2 ϕ A. 1

2 Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Überprüfung des Gesetzes von Malus; 1 Laser, 2 Analysator, 3 Photodiode, 4 opt. Bank, 5 Spannungsmessgerät, 6 Spannungsquelle b) Drei-Polarimeter-Experiment Zum Aufbau der vorigen Messung wird nun noch ein weiterer Polarisationsfilter hinzugefügt (Aufbau siehe Abbildung 2). Zunächst wird der Polarisator so ausgerichtet, dass seine Durchlassrichtung parallel zur Polarisationsrichtung des Lasers steht. Der Analysator wird in gekreuzte Stellung (ϕ A = 90 o ) gebracht, so dass kein Licht in den Detektor gelangt. Die Einstellung des Analysators wird während dieses Versuchs nicht verändert. Nun wird die Lichtintensität in Abhängigkeit der Stellung des Polarisators untersucht. Dazu wird die Lichtintensität I für verschiedene Polarisatorwinkel ϕ P von -90 o bis +90 o in 10 o -Schritten um die Polarisationsrichtung des Laserlichts gemessen. Stellen Sie die Messwerte graphisch dar und zeichnen Sie den erwarteten Verlauf ein. 2 Polarisation durch Reflexion In diesem Versuch soll der Reflexionsgrad von Licht untersucht werden, das an einer ebenen Grenzfläche zwischen Luft und einem Medium mit der Brechzahl n > 1 unter verschiedenen Winkeln reflektiert wird. Der Laser emittiert linear polarisiertes Licht, das senkrecht zur zur Tischoberfläche, und damit senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. 2

3 Abbildung 2: Versuchsaufbau des Drei-Polarisatoren-Experiments ; 1 Laser, 2 Polarisator, 3 Analysator, 4 Photodiode, 5 Spannungsmessgerät, 6 Spannungsquelle, 7 opt. Bank Durch den Einsatz eines λ/2-plättchens kann die Polarisationsebene des Laserlichts um 90 o gedreht werden. Dieses linear polarisierte Licht, das entweder parallel oder senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, lässt man unter verschiedenen Winkeln auf die Reflexionsebene einfallen und misst die Intensität des reflektierten Strahls mit der Photodiode (vgl. Abbildung 3). Die Messung soll zwischen 0 o und 90 o in 5 o -Schritten für jede der zwei Polarisationsrichtungen durchgeführt werden. Messen Sie im Bereich des Polarisationswinkels (Brewsterwinkels) θ p in 2 o -Schritten. Überzeugen Sie sich auch davon, dass der reflektierte Strahl dieselbe Polarisationsrichtung wie der einfallende Strahl besitzt. Stellen Sie Ihre Messwerte graphisch dar und tragen Sie den erwarteten Verlauf ein. 3 Polarisation durch Doppelbrechung In diesem Versuch wird untersucht, wie sich der Polarisationszustand von linear polarisiertem Licht ändert, wenn dieses ein λ/4-plättchen passiert, dessen optische Achse unter verschiedenen Winkeln zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts steht. Man lässt linear polarisiertes Licht auf ein λ/4-plättchen fallen, dessen optische Achse den Winkel ϕ λ mit der Polarisationsrichtung des Lichtes einschließt, 3

4 Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Messung der Polarisation durch Reflexion; 1 Laser, 2 λ/2-plättchen, 3 Drehtisch mit Winkelskala, 4 Reflexionskörper, 5 Photodiode, 6 Spannungsquelle, 7 Spannungsmessgerät, 8 opt. Bank und misst für verschiedene Analysatorstellungen ϕ A die Lichtintensität mit der Photodiode. Der Versuchsaufbau ist analog Abbildung 2, der Polarisator ist jedoch durch das λ/4-plättchen ersetzt. Messen Sie für a) ϕ λ = 0 o, b) ϕ λ = 45 o und c) ϕ λ = 75 o die Lichtintensität für verschiedene Analysatorwinkel ϕ A von -90 o bis +90 o in 10 o -Schritten. Stellen Sie Ihre Ergenisse graphisch dar. Diskussion! 4 Optische Aktivität In diesem Versuch wird die optische Aktivität von Saccharoselösungen mit unterschiedlicher Konzentration untersucht. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 4 dargestellt: Der Analysator wird in gekreuzter Stellung zur Polarisationsrichtung des Laserlichts gebracht, so dass solange sich keine Saccharoselösung im Strahlengang befindet kein 4

5 Licht auf die Photodiode trifft. Bringt man ein Röhrchen mit Saccharoselösung in den Strahlengang, so wird die Polarisationsebene des einfallenden Lichts um den Winkel α gedreht. Dieser Winkel ist identisch mit dem Winkel, um den man den Analysator nachstellen muss, damit das Licht wieder vollständig absorbiert wird. Bei maximaler Absorption durch den Analysator ist die an der Photodiode gemessene Spannung minimal. Führen Sie die Messung für die vorhandenen Röhrchen mit Sacchoaroselösung unterschiedlicher Konzentration (20, 25,..., 60g / 100ml) durch. Tragen Sie den Drehwinkel α über die Konzentration der Lösung auf. In einem der Röhrchen befindet sich eine Saccharoselösung unbekannter Konzentration. Bestimmen Sie mit Hilfe Ihrer Messergebnisse die Konzentration dieser Lösung. Abbildung 4: Versuchsaufbau zur Messung der optische Aktivität einer Saccharoselösung; 1 Laser, 2 Halterung für Röhrchen, 3 Röhrchen mit Saccharoselösung, 4 Analysator, 5 Photodiode, 6 Spannungsmessgerät, 7 opt. Bank 5