Download Práctica de laboratorio Ley de Malus y Ley de Brewster

Experimento N0 11 Polarización de la luz.
Fundamento Físico:
Definición del grado de polarización:
Luz linealmente polarizada P=1, luz natural P=0, luz parcialmente polarizada 0<P<1.
Ley de Brewster
Cuando un rayo de luz natural incide en la superficie entre dos medios dieléctricos con índices de
refracción n1 y n2, la luz reflejada y la luz refractada se convierten en luz polarizada parcialmente.
Cuando el ángulo de incidencia cambia, el grado de polarización de la luz reflejada y la luz refractada
cambia también.
Cuando el ángulo de incidencia satisface
, la luz reflejada se convierte en luz totalmente
polarizada y su plano de vibración es perpendicular al plano de incidencia.
En este experimento se usa luz linealmente polarizada perpendicular al plano de incidencia, por lo que
cuando el ángulo de incidencia se iguala al ángulo de Brewster, la intensidad de la luz reflejada es
cero. Por este método del “valor cero”, puede ser medido el índice de refracción del vidrio.
Ley de Malus
La Ley de Malus expresa que la intensidad transmitida por un polarizador
,
varía con
según la
expresión:
Siendo
el valor de la intensidad de la luz
linealmente polarizada incidente en él y
el
ángulo tomado entre la dirección de
polarización de esta luz incidente y el eje de
polarización del analizador. Cuando
, la intensidad transmitida será máxima,
cuando
la
intensidad
transmitida es el mínimo valor (estado de
extinción), el cual está cerca a la completa
oscuridad. Cuando
intensidad
la
se mantiene entre los valores
máximo y mínimo. Por tanto, podemos
distinguir la luz linealmente polarizada, la luz
natural y la luz parcialmente polarizada,
basado en la variación de la intensidad transmitida. La Fig. 1 muestra la variación de la luz natural
usando el polarizador y el analizador.
Objetivos:
1. Estudiar los conceptos básicos acerca de la luz polarizada. Medir el grado de polarización de la
fuente de luz, determinar la dirección del eje de transmisión del polarizador y ajustar la luz
polarizada la cual es paralela o perpendicular al plano de incidencia.
2. Medición del índice de refracción del vidrio por la Ley de Brewster.
Sistema experimental:
Figura 1
Partes de la instalación
Laser: Es un laser semiconductor con una longitud de onda de 650nm (λ=650nm). Puede emitir luz
parcialmente polarizada.
Polarizador o Polaroide (Polarizer): Emplea membranas hechas con cristales microscópicos de
herapatita (yodosulfuro de quinina) que polarizan la luz y que se disponen en capas con todos los
ejes ópticos paralelos. Estas láminas reducen la luz natural que incide por una de sus caras a dos
vibraciones normales una a la otra, de las cuales sólo emerge una, porque la otra es absorbida.
Analizador (Analyzer): Se llama analizador a todo sistema que permite conocer si un haz de luz
está o no polarizado.
Detector (acceptor): Es un receptor fotoeléctrico que nos permite conocer la intensidad de la luz
que incide sobre él con dos rangos de lectura (2mW y 200µW).
Ejercicio 1 Verificación de la Ley de Malus.
1. El rayo emitido por el láser semiconductor es luz parcialmente polarizado. Coloque un
polarizador detrás del láser semiconductor, y mida con el detector la intensidad de la luz
trasmitida por el polarizador. Cuando sea máxima la intensidad de dicha luz, la dirección del
eje del polarizador coincide con la dirección de polarización de la luz.
2. Coloque el analizador entre el polarizador y el detector y busque la intensidad máxima, anote
el valor de la intensidad (I0) y la posición del analizador (Φ0, asígnele a este ángulo como
valor inicial 0) en esta posición los ejes del polarizador y del analizador son paralelos.
3. Rote el analizador cada 10 grados y anote los valores de intensidad de manera de llenar la
tabla siguiente:
(W)
4. Construya un grafico de
vs
, calcule la pendiente y compruebe si se cumple la Ley
de Malus.
Ejercicio-2 La función de la lámina
.
Una lámina birrefringente es un bloque de
cristal uniáxico con su eje óptico paralelo a
la superficie. Cuando la luz linealmente
polarizada incide perpendicularmente a la
lámina se separa en dos rayos (rayo
ordinario y rayo extraordinario). De acuerdo
con la diferencia de marcha óptica que
introduce la lámina entre estos dos rayos,
puede cambiar el estado de polarización de
la luz incidente. Según el efecto que tenga
dicha lámina sobre la luz incidente será,
lámina de
onda y
o de una onda,
o de media
o de un cuarto de onda.
La lámina de λ/4 puede dar a la salida luz
linealmente polarizada (LP), circularmente
polarizada (CP) o elípticamente polarizada
(EP), en dependencia del ángulo que forme
el vector E de la luz LP incidente con el eje
óptico de la lámina. Si este ángulo es 00 ó
900, la salida es LP, si es 450 la salida es CP,
cualquier otro valor es EP.
1.
Rote el analizador hasta lograr la
condición de extinción, escriba la posición del analizador A (0).
2.
Coloque la lámina de
entre el polarizador y el analizador y rótela hasta lograr la extinción
nuevamente, en este momento el eje de la lámina va a ser paralelo o perpendicular a la dirección del
vector
eléctrico,
y
anote
esta
posición
como
C
(0).
3. Rote la lámina en ángulos de 150, 300, 450, 600, 750, 900, y en cada uno de estos rote el
analizador gradualmente 3600 para observar el cambio en la intensidad de la luz. Anote el valor
máximo y el mínimo de la intensidad y compruebe que estos ocurren cada 90 0, de esta manera usted
puede establecer el estado de polarización de la luz emergente de la placa de
.
Ejercicio-3 Verificación de la Ley de Brewster.
Aparato Experimental
1. Láser semiconductor,
2. disco con polarizador,
3. plataforma con disco rotatorio horizontal, tornillo de fijación de la muestra y pieza de
muestra (con vidrio Nº1 (1.51) estándar y vidrio Nº2 para ser medido en los dos lados).
4. detector de luz,
Procedimiento
1. Medición del grado de polarización de la fuente láser.
Rotar el polarizador, leer el máx. y min. en el detector de luz y calcular el grado de polarización.
2. Medir el índice de refracción del vidrio muestra Nº2
a) Determinar la dirección del eje de polarización
Nota: La posición cero del disco no debe ser la dirección del eje de polarización, los estudiantes
necesitan determinarlo por ellos mismos.
El método se explica a continuación:
1)
Poner un polarizador detrás del láser y sitúe el vidrio muestra estándar con índice de
refracción de 1.51 en la plataforma con disco rotatorio horizontal y acomode el sistema. Asegúrese
de lograr que el centro del eje de la plataforma con disco rotatorio horizontal esté en el plano de
reflexión (superficie) del vidrio, y asegúrese de leer el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión
en la escala. El detector óptico está en el brazo giratorio para absorber la luz reflejada.
2)
Ajuste la salida del láser para lograr que la luz apunte al centro del eje de la plataforma con
disco rotatorio horizontal, con el fin de asegurar la lectura exacta del ángulo de incidencia y el
ángulo de reflexión.
3)
Gire la plataforma con disco rotatorio horizontal para lograr que la luz incidente se
superponga con la luz reflejada. Lea el ángulo en este instante ( ), y rote la plataforma hacia el
punto donde el ángulo de incidencia del láser se iguala al ángulo de Brewster del vidrio muestra
estándar (con índice de refracción de 1.51), que es
, gire el brazo giratorio para situar la
luz reflejada en el centro del detector óptico.
4)
Rote el polarizador y observe las lecturas del medidor de la potencia óptica, hasta lograr el
ángulo donde la potencia es mínima y anótelo (
). Para este ángulo el eje de transmisión del
polarizador está en la horizontal. La luz polarizada a través del polarizador está en estado de luz LP
paralela al plano de incidencia (el plano de incidencia es el plano horizontal)
Nota: existen cuatro valores mínimos durante la rotación del polarizador, solo tome los dos menores
porque los otros son resultado de la polarización parcial de la luz del semiconductor láser.
El esquema del paso de la luz para determinar la dirección del eje del polarizador se muestra a
continuación:
Medición del índice de refracción del
vidrio muestra Nº2.
Sobre la base de lo anterior, gire la
pieza muestra para seleccionar la otra
superficie y mantenga el eje del
polarizador en la misma posición (para
mantener
el mismo ángulo del
polarizador y asegurar la luz incidente
LP paralela al plano de incidencia),
mida la potencia óptica reflejada para
varios ángulos de incidencia (el camino
de la luz es el mismo que en la Fig. 5).
La potencia mínima resulta para el
ángulo de Brewster. Use este ángulo
para calcular el índice de refracción del vidrio.
PRESENTACION DE LOS RESULTADOS.
Todos los resultados parciales y finales que haya obtenido en la práctica deben ser presentados al
profesor para poder hacer los análisis convenientes.