Sự phân cực ánh sáng dùng tia laser

1

VLKT- ViÖn VËt lý Kü thuËt- §HBK Hµ néi

ThÝ nghiÖm vËt lý BKO-080

kh¶o s¸t sù ph©n cùc ¸nh s¸ng dïng tia laser .

NghiÖm ®Þnh luËt malus ( Maluýt )

Dông cô :

1. Nguån ph¸t tia laser b¸n dÉn.

2. B¶n kÝnh ph©n cùc ;

3. Th−íc ®o gãc 0 - 3600

, chÝnh x¸c 10

4. C¶m biÕn photodiode silicon + èng che s¸ng

;

5. Bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é s¸ng

6. Gi¸ quang häc .

I. C¬ së lý thuyÕt

1. Sù ph©n cùc ¸nh s¸ng :

Theo thuyÕt ®iÖn tõ cña Maxwell, ¸nh s¸ng lµ

sãng ®iÖn tõ tøc lµ lo¹i sãng ngang, trong ®ã

vect¬ ®iÖn tr−êng E hay cßn gäi lµ vect¬ sãng

s¸ng lu«n dao ®éng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi

ph−¬ng truyÒn v cña sãng s¸ng (tia s¸ng).

Nh− ®· biÕt, ¸nh s¸ng tù nhiªn lµ tËp hîp v«

sè c¸c ®oµn sãng do nh÷ng nguyªn tö riªng biÖt

trong nguån s¸ng ph¸t ra, nªn vect¬ sãng s¸ng

E cña mçi ®oµn sãng cã ph−¬ng dao ®éng rÊt

kh¸c nhau vµ mang tÝnh ngÉu nhiªn. V× vËy theo

®Þnh nghÜa, ¸nh s¸ng trong ®ã vect¬ sãng s¸ng

E dao ®éng ®Òu ®Æn (víi cïng x¸c suÊt) theo

mäi ph−¬ng vu«ng gãc víi tia s¸ng ®−îc gäi lµ

¸nh s¸ng tù nhiªn (H×nh 1).

NÕu ¸nh s¸ng cã vect¬ sãng s¸ng E chØ dao

®éng theo mét ph−¬ng x¸c ®Þnh vu«ng gãc víi tia

s¸ng gäi lµ ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng (hoÆc th¼ng).

MÆt ph¼ng chøa tia s¸ng vµ ph−¬ng dao ®éng cña

vect¬ sãng s¸ng E gäi lµ mÆt ph¼ng dao ®éng.

MÆt ph¼ng chøa tia s¸ng vµ vu«ng gãc víi mÆt

ph¼ng dao ®éng gäi lµ mÆt ph¼ng ph©n cùc .

Cã thÓ t¹o ra ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng b»ng

c¸ch cho ¸nh s¸ng tù nhiªn truyÒn qua c¸c b¶n

ph©n cùc (p«lar«it hoÆc hªrapatit). Thùc nghiÖm

chøng tá ¸nh s¸ng tù nhiªn, sau khi truyÒn qua

b¶n ph©n cùc, sÏ trë thµnh ¸nh s¸ng ph©n cùc

ph¼ng cã vect¬ sãng s¸ng E dao ®éng theo mét

ph−¬ng hoµn toµn x¸c ®Þnh gäi lµ quang trôc Q

cña b¶n ph©n cùc. Gi¶ sö nÕu ¸nh s¸ng truyÒn

tíi b¶n ph©n cùc lµ ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng cã

vect¬ sãng s¸ng E nghiªng mét gãc α so víi

quang trôc Q cña b¶n nµy, th× chØ cã thµnh phÇn

E1

song song víi quang trôc Q míi truyÒn ®−îc

qua b¶n, cßn thµnh phÇn E2 vu«ng gãc víi

quang trôc Q sÏ bÞ c¶n l¹i (H×nh 2). DÔ dµng

nhËn thÊy : E1

= E . cos α .

V× c−êng ®é s¸ng tû lÖ thuËn víi b×nh ph−¬ng

biªn ®é vect¬ sãng s¸ng, nªn nÕu E0

lµ biªn ®é

cña vect¬ sãng s¸ng E vµ I0 = ( ) E0

2

lµ c−êng

®é s¸ng cña ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng truyÒn tíi

b¶n ph©n cùc, th× biªn ®é cña thµnh phÇn vect¬

sãng s¸ng E1

truyÒn qua b¶n ph©n cùc sÏ lµ

E E 01 0 = .cos α vµ c−êng ®é s¸ng I1 ë phÝa

sau b¶n ph©n cùc b»ng :

I1

=( ) ( ) E E 01

2

0

2

= .cosα

hay I1

= I0

. cos2α (1)

§©y lµ c«ng thøc cña ®Þnh luËt Malus vÒ ph©n

cùc ¸nh s¸ng. Râ rµng, khi α = 0 th× cosα = 1 :

c−êng ®é s¸ng sau b¶n kÝnh ph©n cùc ®¹t cùc

®¹i I1max= I0

; cßn khi α = 900

th× cosα = 0 :

c−êng ®é s¸ng sau b¶n kÝnh ph©n cùc sÏ cùc

tiÓu I1min= 0 .

Trong thÝ nghiÖm nµy, ta sÏ kh¶o s¸t sù ph©n

cùc ¸nh s¸ng cña chïm tia laser ®Ó x¸c ®Þnh mÆt

ph¼ng ph©n cùc cña chïm tia laser vµ nghiÖm l¹i

®Þnh luËt Malus vÒ ph©n cùc ¸nh s¸ng.

II. Tr×nh tù thÝ nghiÖm

1. Quan s¸t bé thiÕt bÞ thÝ nghiÖm gåm mét diode

laser DL (3,8V - 5 mW) ph¸t ra chïm tia laser mµu

®á chiÕu vu«ng gãc vµo t©m cña mÆt b¶n ph©n

cùc P. Mét th−íc trßn T (®−îc chia ®é tõ 0 ÷

3600

) g¾n chÆt víi b¶n ph©n cùc P dïng ®o gãc

quay α gi÷a ph−¬ng cña vect¬ sãng s¸ng E

truyÒn tíi b¶n ph©n cùc P vµ quang trôc Q cña

b¶n nµy. §Ó kh¶o s¸t sù thay ®æi c−êng ®é cña

¸nh s¸ng ph©n cùc sau khi truyÒn qua b¶n ph©n

cùc P, ta dïng mét c¶m biÕn quang ®iÖn silicon

Q§ ®Æt ë bªn trong mét èng che s¸ng. TÝn hiÖu

laser truyÒn qua b¶n kÝnh ph©n cùc tíi räi vµo c¶m

biÕn quang ®iÖn silicon Q§ ®−îc ®−a vµo bé

khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é s¸ng K§ nhê mét

chèt c¾m C. Toµn bé thiÕt bÞ thÝ nghiÖm ®Æt trªn

cïng mét gi¸ quang häc G (H×nh 5) 2. C¾m

phÝch lÊy ®iÖn cña khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng

®é s¸ng K§ vµo nguån ®iÖn ~ 220V. VÆn nóm

chän thang ®o N cña micr«ampekÕ ®iÖn-tö µA