Sự phân cực ánh sáng dùng tia laser

Thí nghiệm vật lý: Khảo sát sự phân cực ánh sáng dùng tia laser, nghiệm định luật malus

VLKT- Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội

Thí nghiệm vật lý BKO-080

khảo sát sự phân cực ánh sáng dùng tia laser

Nghiệm định luật malus ( Maluýt )

Dụng cụ :

1 Nguồn phát tia laser bán dẫn

2 Bản kính phân cực ;

3 Thước đo góc 0 - 3600 , chính xác 10

4 Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng

;

5 Bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng

6 Giá quang học

I Cơ sở lý thuyết

1 Sự phân cực ánh sáng :

Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng là

sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong đó

vectơ điện trường E hay còn gọi là vectơ sóng

sáng luôn dao động theo phương vuông góc với

phương truyền v của sóng sáng (tia sáng)

Như đã biết, ánh sáng tự nhiên là tập hợp vô

số các đoàn sóng do những nguyên tử riêng biệt

trong nguồn sáng phát ra, nên vectơ sóng sáng

E của mỗi đoàn sóng có phương dao động rất

khác nhau và mang tính ngẫu nhiên Vì vậy theo

định nghĩa, ánh sáng trong đó vectơ sóng sáng

E dao động đều đặn (với cùng xác suất) theo

mọi phương vuông góc với tia sáng được gọi là

ánh sáng tự nhiên (Hình 1)

Nếu ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ dao

động theo một phương xác định vuông góc với tia

sáng gọi là ánh sáng phân cực phẳng (hoặc thẳng)

Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động của

vectơ sóng sáng E gọi là mặt phẳng dao động

Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt

phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực

Có thể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng bằng

cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua các bản

phân cực (pôlarôit hoặc hêrapatit) Thực nghiệm

chứng tỏ ánh sáng tự nhiên, sau khi truyền qua

bản phân cực, sẽ trở thành ánh sáng phân cực

phẳng có vectơ sóng sáng E dao động theo một

phương hoàn toàn xác định gọi là quang trục Q

của bản phân cực Giả sử nếu ánh sáng truyền

tới bản phân cực là ánh sáng phân cực phẳng có

vectơ sóng sáng E nghiêng một góc α so với

quang trục Q của bản này, thì chỉ có thành phần

E 1 song song với quang trục Q mới truyền được

qua bản, còn thành phần E 2 vuông góc với

quang trục Q sẽ bị cản lại (Hình 2) Dễ dàng

nhận thấy : E 1 = E cos α

Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương

biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu E 0 là biên độ

của vectơ sóng sáng E và I 0 = ( ) E0 2là cường

độ sáng của ánh sáng phân cực phẳng truyền tới bản phân cực, thì biên độ của thành phần vectơ

sóng sáng E 1 truyền qua bản phân cực sẽ là

E01 = E0 cos α và cường độ sáng I 1 ở phía sau bản phân cực bằng :

I 1 =( ) ( E01 2 = E0.cos α )2

hay I 1 = I 0 cos 2α (1)

Đây là công thức của định luật Malus về phân

cực ánh sáng Rõ ràng, khi α= 0 thì cosα = 1 : cường độ sáng sau bản kính phân cực đạt cực

đại I1max= I0 ; còn khi α= 900 thì cosα= 0 : cường độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực

tiểu I1min= 0 Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát sự phân cực ánh sáng của chùm tia laser để xác định mặt phẳng phân cực của chùm tia laser và nghiệm lại

định luật Malus về phân cực ánh sáng

II Trình tự thí nghiệm

1 Quan sát bộ thiết bị thí nghiệm gồm một diode laser DL (3,8V - 5 mW) phát ra chùm tia laser màu

đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt bản phân cực P Một thước tròn T (được chia độ từ 0 ữ

3600) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc quay α giữa phương của vectơ sóng sáng E

truyền tới bản phân cực P và quang trục Q của bản này Để khảo sát sự thay đổi cường độ của

ánh sáng phân cực sau khi truyền qua bản phân cực P, ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt ở bên trong một ống che sáng Tín hiệu laser truyền qua bản kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện silicon QĐ được đưa vào bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ nhờ một chốt cắm C Toàn bộ thiết bị thí nghiệm đặt trên cùng một giá quang học G (Hình 5) 2 Cắm phích lấy điện của khuếch đại và chỉ thị cường

độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V Vặn núm chọn thang đo N của micrôampekế điện-tử à A

tới vị trí 100 và vặn núm biến trở R (ngược chiều

kim đồng hồ) về vị trí tận cùng bên phải ứng với

độ nhạy nhỏ nhất Bấm khóa đóng điện K trên

mặt của bộ khuếch đại KĐ : đèn tín hiệu LED

phát sáng Nới lỏng vít hãm V và quay ống chắn

sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của

nó đi qua tâm của bản phân cực P Chờ khoảng

5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện

việc điều chỉnh vị trí số 0 của micrôampekế

điện-tử à A Nếu kim của micrôampekếà A không chỉ

đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho

kim chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0 Chú ý :

Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí

này của núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí

nghiệm

3 Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi

diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều

~220V Bật côngtắc K1 của diode laser DL, ta sẽ

nhận được chùm tia sáng laser màu đỏ Điều

chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ

của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực

P và chiếu vào tâm của vít V Khi đó giữ nguyên

độ cao của cảm biến quang điện QĐ và quay nó

để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến

quang điện QĐ

4 Quay thước tròn chia độ T cho tới khi kim của

micrôampekếà A đạt độ lệch lớn nhất Sau đó, vặn

từ từ núm biến trở R (ngược chiều kim đồng hồ)

để kim của micrôampekếà A dịch chuyển tới vị

trí của vạch 100 trên mặt thang đo của

micrôampekếà A Đọc và ghi giá trị góc quay

ban đầu α0 (trên thước tròn chia độ T) của bản

phân cực P vào bảng 1

5 Tiếp tục quay thước tròn chia độ T để tăng

góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu

α0 đến giá trị α = + 3600 Đọc và ghi các giá trị

tương ứng của góc quay α và của cường độ sáng

I 1 (tỷ lệ với cường độ dòng điện trên

micrôampekế à A) trong mỗi lần đo vào bảng 1

6 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1

:

- Độ chia nhỏ nhất của thước tròn chia

độ T

2 Cắm phích lấy điện của khuếch đại và chỉ

thị cường độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V

Vặn núm chọn thang đo N của micrôampekế

điện-tử à A tới vị trí 100 và vặn núm biến trở R

(ngược chiều kim đồng hồ) về vị trí tận cùng bên

phải ứng với độ nhạy nhỏ nhất Bấm khóa đóng

điện K trên mặt của bộ khuếch đại KĐ : đèn tín

hiệu LED phát sáng Nới lỏng vít hãm V và quay

ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó đi qua tâm của bản phân cực P Chờ khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện việc điều chỉnh vị trí số 0 của micrôampekế điện-tử à A Nếu kim của micrôampekếà A không chỉ đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0 Chú ý : Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí này của núm

"qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghiệm

3 Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều

~220V Bật côngtắc K1 của diode laser DL, ta sẽ nhận được chùm tia sáng laser màu đỏ Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực

P và chiếu vào tâm của vít V Khi đó giữ nguyên

độ cao của cảm biến quang điện QĐ và quay nó

để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ

4 Quay thước tròn chia độ T cho tới khi kim của micrôampekếà A đạt độ lệch lớn nhất Sau đó, vặn

từ từ núm biến trở R (ngược chiều kim đồng hồ)

để kim của micrôampekếà A dịch chuyển tới vị trí của vạch 100 trên mặt thang đo của micrôampekếà A Đọc và ghi giá trị góc quay ban đầu α0 (trên thước tròn chia độ T) của bản phân cực P vào bảng 1

5 Tiếp tục quay thước tròn chia độ T để tăng góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu

α0 đến giá trị α = + 3600 Đọc và ghi các giá trị tương ứng của góc quay α và của cường độ sáng

I 1 (tỷ lệ với cường độ dòng điện trên micrôampekế à A) trong mỗi lần đo vào bảng 1

6 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 :

- Độ chia nhỏ nhất của thước tròn chia

độ T

- Độ chia nhỏ nhất trên thang đo 100 của micrôampekế điện-tử à A

7 Dựa vào những giá trị đo được của cường độ

sáng I 1 và của góc quay α tương ứng trong bảng 1, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số :

I 1 = f ( X ) với X = cos 2α (3)

Chú ý : Cần kiểm tra chính xác các vị trí tại đó

cường độ sáng đạt cực đại hoặc cực tiểu bằng cách ở lân cận hai phía của mỗi vị trí này (trong giới hạn ± 50) chỉ thay đổi mỗi lần 10 đối với góc quay

α và đọc giá trị cường độ sáng I 1 tương ứng Từ

đó có thể xác định chính xác vị trí mặt phẳng phân cực của chùm tia laser

à A

K1 P T QĐ

V

R "0"

1 10 100

K

N

C + ư

G KĐ

Hình 5

III Câu hỏi kiểm tra

1 Nêu rõ thuyết điện từ của Maxwell về bản

chất của ánh sáng ánh sáng là sóng ngang hay

sóng dọc ?

2 Phân biệt ánh sáng tự nhiên và ánh sáng

phân cực

3 Định nghĩa laser Nêu rõ nguyên tắc tạo ra

trạng thái đảo mật độ hạt Phân biệt sự phát xạ

tự phát và phát xạ cảm ứng của các nguyên tử

Nêu nguyên tắc ccấu tạo và hoạt động của

diode laser

4 Giải thích tại sao khi chùm tia laser truyền

qua bản phân cực P , thì cường độ sáng I ở phía

sau bản phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào gócα giữa vectơ sóng sáng E truyền tới bản

phân cực P và quang trục Q của bản đó

5 Phát biểu và viết biểu thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng

6 Mô tả bộ thiết bị thí nghiệm và phương pháp khảo sát sự phân cực ánh sáng để nghiệm lại

định luật Malus về phân cực ánh sáng và xác

định mặt phẳng phân cực của chùm tia laser

Báo cáo thí nghiệm

khảo sát phân cực ánh sáng dùng tia laser

Nghiệm Định luật malus ( maluýt )

Xác nhận của thày giáo

Trường

Lớp Tổ

Họ tên

I Mục đích thí nghiệm

II kết quả thí nghiệm

Bảng 1

- Giá trị độ chia nhỏ nhất của thước đo góc T :

- Giá trị độ chia nhỏ nhất trên micrôampekế à A :

α I1 cos α cos2α α I1 cos α cos2α

1 Vẽ đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos 2α

2 Kết luận

Đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos2α có dạng một đường (thẳng, cong, )

tức là cường độ ánh sáng phân cực I1 phụ thuộc X = cos2α theo qui luật hàm bậc Kết quả này chứng tỏ định luật Malus về phân cực ánh sáng

(đã nghiệm hoặc không nghiệm đúng)