Föreläsning 2 - Laser Physics, KTH
Transcription
Föreläsning 2 - Laser Physics, KTH
Föreläsning 2. Brytning, reflexion, polarisation och spridning Inledning Inom den geometriska optiken ges vågutbredningen av en rätlinjig rörelse. Från en punktljuskälla skickas ljus ut i alla riktningar, och man har ett divergent strålknippe. Ju längre bort från en iakttagare som ljuskällan befinner sig desto mindre blir vinkeln mellan strålarna i knippet. Om ljuskällan befinner sig mycket långt bort blir strålarna praktiskt taget parallella. Fig 2.1 (a) ljuset från en punkt representeras av ett divergent strålknippe. (b) I ett ljusknippe från en avlägsen punkt kan strålarna ses som paralella Vi utnyttjar omedvetet vinkelskillnaden mellan strålarna för att bedöma avståndet till en ljuskälla. Brytning Vår erfarenhet säger oss att ljuset utbreder sig rätlinjigt, så länge det rör sig i ett homogent medium eller i vakuum. En åra som är nedsänkt i vatten ser däremot ut att vara avbruten. Synvillan beror på att ljusstrålarna ändrar riktning när de passerar gränsytan mellan luften och vattnet. En intressant iakttagelse är också att ljuset delvis bryts och delvis reflekteras. Att ljuset bryts när det passerar en gränsyta mellan två medier beror på att ljuset ändrar hastighet. Ett ämnes brytningsindex är förhållandet mellan ljushastigheten i vakuum, c, och ljushastigheten, v, i mediet och betecknas med lilla n. n= c v Varje transparent material har ett karaktäristiskt värde på brytningsindex. I vakuum är värdet satt till 1.Olika sorters glas har värden runt 1.50 och i vatten ligger det nära 1.33. Ju högre brytningsindex ett material har desto långsammare färdas ljuset genom det. 11 Den allmänna brytningslagen, Snells lag, kan alltid tillämpas då ljuset passerar en gränsyta mellan två medier. n1 sin θ 1 = n2 sin θ 2 Fig 2.2 En ljusstråle bryts då den passerar gränsen mellan två medier Om den infallande strålen träffar ett optiskt tätare medium, kommer strålen att brytas mot normalen. Omvänt gäller att om strålen träffar ett optiskt tunnare medium så bryts den från normalen. Sin största praktiska betydelse har ljusbrytningen fått i linser av olika slag. Dispersion – brytning i prisma Värdet på ett materials brytningsindex är inte konstant, utan frekvensberoende (våglängdsberoende). Detta frekvensberoende kallas dispersion. Normalt minskar brytningsindex med ökande våglängd. När vitt ljus träffar en plan yta bryts strålarna olika mycket beroende på våglängden. Detta kan tex visualiseras genom att sända en vit stråle mot ett prisma. Strålen delas upp i färger, som lämnar prismat i olika riktningar.Det violetta ljuset har högst 12 brytningsindex, och bryts enligt brytningslagen mest. Det röda ljuset har lägst brytningsindex och bryts därför minst. Fig 2.3 Kromatisk dispersion visualiseras genom att sända en vit ljusstråle mot ett prisma Ljusbrytning av det här slaget ger bla upphov till regnbågen. Eftersom brytningsindex är en storhet som beror både på mediet och på våglängden hos ljuset kan man säga att det utgör ett mått på graden av växelverkan mellan ljuset och mediet. Genom att förändra sammansättningen av mediet kan man ändra dess optiska egenskaper. Man kan tex. ändra brytningsindex i glas genom att tillsätta olika oxider i glassmältan vid tillverkningen. Utgångsmaterialet är normalt kiseldioxid SiO2, och man tillsätter exempelvis Na2O, K2O,BaO, samt olika metalloxider. Om man tillsätter fotokänsliga silverkloridkristaller i glassmältan kan man tillverka fotokromatiskt glas, som har den egenskapen att det mörknar när det utsätts för intensivt ljus, och klarnar då ljusintensiteten minskar. Reflexion Om man riktar en ljusstråle mot en spegel kan man se att ljuset reflekteras i en viss bestämd riktning. En närmare undersökning av infallsvinkeln θi och reflexionsvinkeln θr ger oss reflexionslagen θi = θr Totalreflexion Ljus som går från ett medium med högre brytningsindex till ett medium med lägre brytningsindex totalreflekteras om infallsvinkeln överskrider ett visst gränsvärde. 13 När infallsvinkeln närmar sig gränsvinkeln, c, närmar sig brytningsvinkeln 90°. Överskrider infallsvinkeln gränsvärdet c kan inget ljus passera gränsytan. Ljuset totalreflekteras. Gränsvinkeln ges av θ c = sin −1 n2 n1 Fig 2.4 Ljusbrytning vid övergången från ett optiskt tätare medium till ett optiskt tunnare. Om infallsvinkeln är större än gränsvinkeln c sker totalreflexion. Inget ljus går över till mediet med det lägre brytningsindexet. Flera praktiska exempel på totalreflexion kan ges. Kör man bil en varm sommardag på en asfalterad rak väg, ser det ut som om vägbanan långt framför bilen är täckt med vatten. Orsaken är att körbanan är uppvärmd och har ett lägre brytningsindex än luften ett stycke ovanför.. Strålar som faller in snett mot vägbanan avböjs alltmer och vid en låg vinkel totalreflekteras de. 14 Fig 2.5 Strålgång vid varm vägbana Liknande fenomen kan inträffa för andra typer av elektromagnetisk strålning. Falska radarekon kan i vissa fall orsakas av totalreflexion. En betydelsefull tillämpning av totalreflexion är fiberoptiken. Tunna fibrer tillverkas av genomskinliga material som glas eller plast. Ljusstrålar som skickas in i den ena änden av fibern tvingas pga upprepade totalreflexioner att följa fibern till dess andra ände. På så sätt kan ljuset ledas i krökta banor över långa sträckor. Allmänt om polarisation En elektromagnetisk våg är normalt opolariserad. Detta innebär att det elektriska fältet oscillerar med en slumpmässig riktning. Fenomen som har med polarisation att göra förutsätter en transversell vågrörelse, där svängningarna kan ske i många olika riktningar. I en longitudinell vågrörelse är svängningsriktningen låst För enkelhetens skull brukar man rita opolariserat ljus som en dubbelpil. Matematiskt innebär det att man ser ljuset som en superposition av två polariserade vågor som oscillerar vinkelrätt mot varandra. Man kan överföra opolariserat ljus till polariserat ljus genom att skicka det genom en linjärpolarisator. En polaroidfilm är en polarisator som består av ett ”kemiskt galler”. Gallret är uppbyggt av parallellt orienterade långsträckta molekyler som innehåller jodatomer. På grund av molekylorienteringen bildar jodatomerna långa kedjor som absorberar vågor som har den elektriska fältstyrkan parallell med kedjeriktningen. Ljuset som kommer ut från polarisatorn innehåller bara ljus som är parallell med polarisationsriktningen. Ljus som på det här sättet är delvis polariserat ritas som en enkelpil. 15 Fig 2.6 ljus som passerar en polarisator har fältstyrkan vinkelrät mot polarisatorns kemiska galler. Ljus med fältstyrkan parallell med jodkedjeriktningen absorberas medan ljus med fältstyrkan vinkelrätt mot jodkedjan transmitteras. Riktningen vinkelrätt mot jodkedjan kallas därför för polarisatorns transmissionsriktning. Idealt borde ljus med fältstyrkan parallell med transmissionsriktningen transmitteras till 100%. I verkligheten är transmissionen mindre, eftersom en viss del av ljuset också absorberas. Linjärpolarisatorer används inte bara för att framställa polariserat ljus, utan även för analys av ljus med avseende på polarisationen. Om man skickar redan polariserat ljus genom en andra polarisator så inverkar den inte alls på den planpolariserade vågen så länge polarisationsriktningarna är parallella med varandra. Om vi däremot vrider den andra polarisatorn 90 grader, kommer ingen del av vågrörelsen igenom båda hindren. Vågen släcks ut om två korsade polarisatorer placeras i dess väg. 16 Fig 2.7 Polarisation av ljus. Inget ljus passerar två korsade polaroider. I en linjärpolariserad våg kan det elektriska fältet delas upp i en komponent som är parallell med genomsläppsriktningen och en som är vinkelrät mot den. Om fältet har amplituden a, och bildar vinkeln θ med genomsläppsriktningen är amplituden för den förra acosθ. Det genomsläppta ljusets intensitet är proportionell mot amplituden i kvadrat och varierar följdaktligen med θ som I = I m cos 2 θ där Im är maximalvärdet. Denna relation kallas Malus′′ lag efter upptäckaren Etienne Louis Malus. Polarisation genom reflexion Vid reflexion ändras både ljusets intensitet och polarisation. När en ljusstråle träffar gränsytan på ett genomskinligt medium kommer en del av ljuset att brytas och en del av ljuset att reflekteras. Om ljuset faller in mot gränsytan så att den brutna strålen och den reflekterade strålen är vinkelräta mot varandra, så kommer det reflekterade ljuset att vara planpolariserat. Infallsvinkeln som uppfyller sambandet kallas för Brewstervinkeln. Brewstervinkeln beräknas lätt från brytningsindex. Brytningslagen ger nämligen att n1 sin i B = n2 sin bB = n2 sin(90° − i B ) = n2 cos i B varav 17 θ B = tan −1 n2 n1 Fig 2.8 För Brewstervinkeln är det reflekterade ljuset polariserat vinkelrätt mot infallsplanet. tan i B = n2 n1 Den reflekterade strålen är alltså linjärpolariserad vinkelrätt mot infallsplanet, även om den infallande strålen är opolariserad. Reflexion vid Brewstervinkeln är tydligen ett sätt att framställa linjärpolariserat ljus. Det infallande ljuset antas då vara opolariserat. Om det infallande ljuset i stället är linjärpolariserat i infallsplanet sker det inte någon reflexion, eftersom motsvarande fältkomponent saknas. En glasplatta med parallella ytor som är orienterad i brewstervinkeln transmitterar då allt ljus. Glasplattan fungerar som ett sk perfekt fönster. Sådana Brewsterfönster används ofta i lasrar med följden att laserstrålen blir linjärpolariserad. 18 Fig 2.9 Ett brewsterfönsters inverkan på en våg. Spridning och polarisation genom spridning När ljus utbreder sig i ett medium sprids en del via kollisioner med mediets molekyler. Lord Rayleigh visade 1871 att spridningens intensitet förhåller sig till våglängden som Isprid~λ-4 Intensiteten för blått ljus blir ca. 5 ggr kraftigare än för rött ljus och denna sk. Rayleighspridning är bl.a. orsaken till att vi kan se himlen – och att den är blå. Dessutom är det spridda ljuset polariserat vilket kan ses genom att man vrider ett par polaroidglasögon och studerar intensitetsförändringen. 19 Fig 2.10 Polarisation genom Rayleighspridning. Spridning och absorption leder till att intensiteten hos ljuset dämpas vid sin utbredning. I det normala fallet, dvs. ett homogent medium, avtar intensiteten exponentiellt och intensiteten vid slutet av mediet, I, ges som I = I0exp(-αx) där Io är den infallande intensiteten, α dämpningskoefficienten och x längden vågen gått genom mediet. I de flesta fall dominerar dämpningen över spridningen och α står då för absorptionskoefficienten. En härledning till exponentialberoendet ges i Appendix 2. 20