Versuch Polarisiertes Licht
Vorbereitung:Eigenschaften und Erzeugung von polarisiertem Licht, Ge- setz von Malus, Fresnelsche Formeln, Brewstersches Gesetz, Doppelbrechung, Optische Aktivit¨at, Funktionsweise von Polarisationsfiltern und Phasenpl¨attchen.
Literatur:
• Eugene Hecht: Optik, Oldenburg-Verlag
• Bergmann-Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band3, Optik, de Gruyter
• Demtr¨oder: Experimentalphysik 2, Elektrizit¨at und Optik, Springer
• H. St¨ocker: 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 Oberfl¨achen der Polarisationsfilter, Phasenpl¨attchen und Prismen sind empfindlich. Stellen Sie diese nach dem Gebrauch in die vorgesehe- nen Halterungen zur¨uck. Sollten Oberfl¨achen verschmutzt sein, lassen Sie eine eventuelle Reinigung dem Versuchsbetreuer oder Praktikums- techniker durchf¨uhren.
Versuchsdurchf¨ uhrung:
1 Polarisation durch Absorption
a) Gesetz von Malus
Stellen Sie auf der optischen Bank zwischen den Laser und die Pho- todiode zur Messung der Lichtintensit¨at einen Polarisationsfilter als Analysator (Durchlassrichtung = Pfeilrichtung). Der Laser emittiert linear polarisiertes Licht dessen E-Feld vertikal (senkrecht zur Tischo- berfl¨ache) schwingt. Durch den Analysator wird je nach Winkeleinstel- lung ein Teil des Lichtes absorbiert. Das transmittierte Licht trifft auf eine Photodiode und ruft einen Photostrom hervor, der proportional zur Lichtintensit¨at ist. Dieser Photostrom wird ¨uber den Spannungs- abfall an einem Widerstand gemessen (Aufbau siehe Abbildung 1).
Messen Sie die Lichtintensit¨at I f¨ur verschiedene AnalysatorwinkelϕA von -90obis +90oin 10o-Schritten. Stellen Sie die Messwerte graphisch dar und vergleichen Sie mit dem erwarteten Verlauf nach dem Gesetz von MalusI =I0cos2ϕA.
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur ¨Uberpr¨ufung des Gesetzes von Malus; 1 Laser, 2 Analysator, 3 Photodiode, 4 opt. Bank, 5 Spannungsmessger¨at, 6 Spannungsquelle
b) ’Drei-Polarimeter-Experiment’
Zum Aufbau der vorigen Messung wird nun noch ein weiterer Polari- sationsfilter hinzugef¨ugt (Aufbau siehe Abbildung 2). Zun¨achst wird der Polarisator so ausgerichtet, dass seine Durchlassrichtung parallel zur Polarisationsrichtung des Lasers steht. Der Analysator wird in ge- kreuzte Stellung (ϕA= 90o) gebracht, so dass kein Licht in den Detek- tor gelangt. Die Einstellung des Analysators wird w¨ahrend dieses Ver- suchs nicht ver¨andert. Nun wird die Lichtintensit¨at in Abh¨angigkeit der Stellung des Polarisators untersucht. Dazu wird die Lichtinten- sit¨at I f¨ur verschiedene Polarisatorwinkel ϕP von -90o bis +90o in 10o-Schritten um die Polarisationsrichtung des Laserlichts gemessen.
Stellen Sie die Messwerte graphisch dar und zeichnen Sie den erwar- teten Verlauf ein.
2 Polarisation durch Reflexion
In diesem Versuch soll der Reflexionsgrad von Licht untersucht wer- den, das an einer ebenen Grenzfl¨ache zwischen Luft und einem Medium mit der Brechzahln >1 unter verschiedenen Winkeln reflektiert wird.
Der Laser emittiert linear polarisiertes Licht, das senkrecht zur zur Tischoberfl¨ache, und damit senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist.
Abbildung 2: Versuchsaufbau des ’Drei-Polarisatoren-Experiments’; 1 La- ser, 2 Polarisator, 3 Analysator, 4 Photodiode, 5 Spannungsmessger¨at, 6 Spannungsquelle, 7 opt. Bank
Durch den Einsatz eines λ/2-Pl¨attchens kann die Polarisationsebene des Laserlichts um 90o gedreht werden. Dieses linear polarisierte Licht, das entweder parallel oder senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, l¨asst man unter verschiedenen Winkeln auf die Reflexionsebene ein- fallen und misst die Intensit¨at des reflektierten Strahls mit der Pho- todiode (vgl. Abbildung 3). Die Messung soll zwischen 0o und 90o in 5o-Schritten f¨ur jede der zwei Polarisationsrichtungen durchgef¨uhrt werden. Messen Sie im Bereich des Polarisationswinkels (Brewster- winkels) θp in 2o-Schritten. ¨Uberzeugen 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 ¨andert, wenn dieses ein λ/4-Pl¨attchen passiert, dessen optische Achse unter verschiedenen Winkeln zur Po- larisationsrichtung des einfallenden Lichts steht. Man l¨asst linear po- larisiertes Licht auf ein λ/4-Pl¨attchen fallen, dessen optische Achse den Winkel ϕλ mit der Polarisationsrichtung des Lichtes einschließt,
Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Messung der Polarisation durch Reflexion;
1 Laser, 2λ/2-Pl¨attchen, 3 Drehtisch mit Winkelskala, 4 Reflexionsk¨orper, 5 Photodiode, 6 Spannungsquelle, 7 Spannungsmessger¨at, 8 opt. Bank
und misst f¨ur verschiedene Analysatorstellungen ϕA die Lichtinten- sit¨at mit der Photodiode. Der Versuchsaufbau ist analog Abbildung 2, der Polarisator ist jedoch durch dasλ/4-Pl¨attchen ersetzt. Messen Sie f¨ur
a) ϕλ = 0o, b) ϕλ = 45o und
c) ϕλ = 75o
die Lichtintensit¨at f¨ur verschiedene AnalysatorwinkelϕA von -90o bis +90o in 10o-Schritten. Stellen Sie Ihre Ergenisse graphisch dar. Dis- kussion!
4 Optische Aktivit¨ at
In diesem Versuch wird die optische Aktivit¨at von Saccharosel¨osungen mit unterschiedlicher Konzentration untersucht. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 4 dargestellt: Der Analysator wird in gekreuzter Stel- lung zur Polarisationsrichtung des Laserlichts gebracht, so dass – so- lange sich keine Saccharosel¨osung im Strahlengang befindet – kein
Licht auf die Photodiode trifft. Bringt man ein R¨ohrchen mit Sac- charosel¨osung in den Strahlengang, so wird die Polarisationsebene des einfallenden Lichts um den Winkel αgedreht. Dieser Winkel ist iden- tisch mit dem Winkel, um den man den Analysator nachstellen muss, damit das Licht wieder vollst¨andig absorbiert wird. Bei maximaler Absorption durch den Analysator ist die an der Photodiode gemesse- ne Spannung minimal. F¨uhren Sie die Messung f¨ur die vorhandenen R¨ohrchen mit Sacchoarosel¨osung unterschiedlicher Konzentration (20, 25, ..., 60g / 100ml) durch. Tragen Sie den Drehwinkel α ¨uber die Konzentration der L¨osung auf. In einem der R¨ohrchen befindet sich eine Saccharosel¨osung unbekannter Konzentration. Bestimmen Sie mit Hilfe Ihrer Messergebnisse die Konzentration dieser L¨osung.
Abbildung 4: Versuchsaufbau zur Messung der optische Aktivit¨at einer Sac- charosel¨osung; 1 Laser, 2 Halterung f¨ur R¨ohrchen, 3 R¨ohrchen mit Saccha- rosel¨osung, 4 Analysator, 5 Photodiode, 6 Spannungsmessger¨at, 7 opt. Bank
