Úloha 7
Měření světla odraženého na povrchu dielektrika.
Na Obr. 1 je fotografie a popisky aparatury pro měření závislosti odrazivosti s- a p-polarizovaného světla na dielektriku. Laser je
napájen ze zdroje dodávajícího napětí modulované s frekvencí 1kHz. Výběr s- a p- lineárně polarizovaného světla je proveden
rotací polarizátoru umístěného mezi laserem a vzorkem do polohy S resp. P, které jsou označeny na kotouči pod polarizátorem.
Signál z detektoru je pak zesilován selektivním zesilovačem, který zesiluje signál o frekvenci 1kHz. To umožňuje potlačení detekce
světla z okolního prostředí. Signál ze zesilovače je vyveden na voltmetr a měřené foto-napětí jé přímo úměrné intenzitě světla
dopadajícího na detektor. To platí, pokud zesilovač není přesycen. Po zapojení zdroje a zesilovače do sítě probíhá měření v
následujících krocích:
● Naměření foto-napětí U0s
a U0p
úměrného intenzitě přímého svazku (tj. svazku bez odrazu na vzorku – vzorek je vyjmut z
goniometru) dopadajícího z laseru na detektor při nastavení polarizátoru do S resp. P polohy.
●
Nejdříve se nastavíme detektor rotací ramene goniometru do pozice proti laseru – jemné nastavení provedeme
maximalizací foto-napětí.
●
Nastavíme napájení laseru a zesílení zesilovače tak, aby zesilovač nebyl přesycen (indikováno svítící červenou diodou na
zesilovači)
● Odečteme foto-napětí U0s
a U0p
při polohách polarizátoru S resp. P
●
Najustování vzorku – nastavení kolmého dopadu dopadajícího svazku při úhlu dopadu na 0 º na stupnici
●
Vzorek je vložen do držáku ve středu goniometru
●
Kruh rotace vzorku je nastaven na 0 º, což by mělo odpovídat kolmému dopadu svazku na odrazový povrch vzorku. Rotace
vzorku při pohybu stupnice se zaaretuje šroubem A.
●
Odaretuje se rotace vzorku bez pohybu stupnice šroubem B a vzorek se otočí tak, aby se odražený paprsek vracel zpět do
laseru – odražený paprsek sledujeme na stínítku, jímž zakryjeme polovinu výstupní apertury laseru. Po docílení kolmého
odrazu aretačními šrouby umožníme pouze rotaci vzorku při pohybu stupnice úhlu dopadu (šroub A povolen, šroub B
utažen)
● Naměříme závislost foto-napětí Us
a Up
, úměrného intenzitě odraženého světla pro s- resp. p-polarizaci, na úhlu dopadu světla
na dielektrikum. Provádím v rozsahu 30 º až 80 º s krokem 5 º.
●
Nastavíme vzorek rotací goniometru na žádaný úhel dopadu při nastavení polarizátoru do polohy S
● Nastavíme detektor oproti odraženému svazku – jemné nastavení provedeme při maximalizaci foto-napětí. Odečteme Us
*
● Natočíme polarizátor do polohy P a odečteme na voltemetru Up
*
●
V okolí minima odrazivosti v p-polarizaci naměříme detailněji, s krokem 1 deg, závislost intenzity odraženého s-polarizovaného
světla na úhlu dopadu a identifikujeme minimum v průběhu, tj. určím Brewsterův úhel
●
Zesílíme příkon laseru tak aby při s-polarizaci nebyl zesilovač přetížen a pro další měření necháme příkon konstantní
●
Pro požadovaný úhel dopadu vždy nastavíme detektor oproti odraženému svazku při poloze polarizátoru S
● Polarizátor otočíme do polohy P a naměříme foto-napětí Up
Příslušná data s vysvětlením dat v tabulkách jsou pro každého studenta ve složce DataProStudenty
* Při měření foto-napětí je vždy třeba na voltmetru nastavit rozsah měřeného napětí, aby nebyl rozsah měřenou hodnotou překročen,
ale zároveň, aby bylo dosaženo max. přesnosti měření, tj. hledáme minimální rozsah voltmetru překračující měřenou hodnotu.
Úloha 7
Měření světla odraženého na povrchu dielektrika.
Experimentální uspořádání pro měření odrazivosti na povrchu dielektrika
napájení
laseru
polovodičový
laser
multimetr měřící fotonapětízesilovač fotonapětí z detektoru
polarizátor
úchyt pro otáčení polarizátorem
goniometr s kruhem pro otáčení vzorkem a detektorem
stupnice
pro odečítání
úhlu dopadu
měřený vzorek
fotodetektor
P
S
šroub aretace B
šroub aretace A
Obr. 1
Úloha 7
Napájení laseru Zesilovač signálu z detektoru
regulace výkonu
LASERu regulace zesílení
kontrolka přesycení
(když svítí, je třeba
snížit zesílení)
spínač frekvenční
modulace zdroje
(frekvence modulace
1 kHz)
(selektivně zesiluje jen signál frekvence 1kHz)
Obr. 2 Obr. 3
Úloha 7
Multimetr užívaný k měření fotonapětí úměrného intenzitě světla
dopadajícího na detektoru
volba měřené veličiny
(zde měříme stejnosměrné
(DC) napětí)
volba měřícího rozsahu
pro dosažení optimální
přesnosti měření
jednotky
Obr. 4
Úloha 7 – volitelné části
B - průchod světla hranolem
A - průchod světla planparalelní deskou
aparatura v praktiku FP2
aparatura v praktiku FP2
Schéma průchodu světla planparalelní deskou
- dochází k transverzálnímu posunu paprsku,
tj. posunu vystupujícího paprsku ve směru
kolmo na směr chodu primárního a
vystupujícího paprsku
Schéma průchodu světla hranolem –
dochází k změně směru paprsku vystupujícího
z hranolu oproti směru paprsku vstupujícímu
Obr. 4
Obr. 5
Obr. 6
Obr. 7
Úloha 7 – volitelné části
A - průchod světla planparalelní deskou
Schéma aparatury používané pro obě volitelné části s popisky je na následující straně.
Při průchodu paprsku světla z laseru planparalelní deskou dochází k transverzálnímu posunu, tj. posunu kolmému na směr
dopadajícího paprsku, vystupujícího paprsku vůči paprsku dopadajícího. Směr vystupujícího paprsku je stejný jako směr
paprsku dopadajícího. Posun paprsku se měří na úchylkoměru v bodu, kdy je štěrbina fotodiody oproti prošlému paprsku.
Posun fotodiody v objímce se štěrbinou je zajištěn mikrometrickým šroubem. Přesné nastavení štěrbiny diody do laserového
paprsku identifikujeme nalezením maxima fotoproudu z fotodiody při posouvání mikrometrického šroubu.
Na začátku měření nastavíme mikrometrickým šroubem posun na úchylkoměru na 0 mm a rotací ramene detektoru na
goniometru štěrbinu fotodiody oproti primárnímu paprsku z laseru a po té vložíme planparalelní desku na stojan vzorku. Při
uvolnění šroubu svazujícího otáčení podstavce vzorku s goniometrem nastavíme stěnu planparalelní desky kolmo na směr
chodu primárního paprsku. Pomocí aretačního šroubu opět svážeme otáčení goniometru s otáčením vzorku a provedeme
měření závislosti posunu svazku (odečítaného na úchylkoměru) na úhlu dopadu primárního paprsku na stěnu hranolu. Úhel
dopadu zvyšujeme s krokem 5 deg.
B - průchod světla hranolem
Při průchodu paprsku světla z laseru dochází k úhlovému odchýlení vystupujícího paprsku vůči paprsku dopadajícímu.
Odchylka vystupujícího paprsku od paprsku dopadajícího se měří na stupnici goniometru při nastavení štěrbiny fotodiody
oproti paprsku vystupujícímu z hranolu. Přesné nastavení štěrbiny diody do laserového paprsku identifikujeme nalezením
maxima fotoproudu z fotodiody při otáčení kruhu goniometru s detektorem.
Na začátku měření nastavíme rotací ramene detektoru na goniometru štěrbinu fotodiody oproti primárnímu paprsku z laseru
a po té vložíme hranol na stojan vzorku. Při uvolnění šroubu svazujícího otáčení stojanu vzorku s goniometrem nastavíme
rotací vzorku jednu ze stěn hranolu kolmo na směr chodu primárního paprsku. Pomocí aretačního šroubu opět svážeme
otáčení goniometru s otáčením vzorku. Odečteme referenční polohu ramene dalekohledu δ0.
a referenční polohu kruhu rotace
vzorku α0
,které budou sloužit jako počátky souřadnicové soustavy, tj. budou odečítány od čtených hodnot na příslušných
stupnicích při měření. V rozsahu úhlů dopadu pro které jsme schopni detekovat paprsek vstupující z hranolu proměříme
závislost odchylky výstupního paprsku δ na úhlu dopadu α s krokem úhlu dopadu 2 – 3 stupně. Por každý úhel dopadu je
samozřejmě třeba nastavit štěrbinu fotodiody oproti vystupujícímu paprsku tak, abychom detekovali maximální fotoproud.
Příslušná data s vysvětlením dat v tabulkách jsou pro každého studenta ve složce DataProStudenty
Úloha 7 – volitelné části
Průchod světla planparalelní deskou a hranolem
Měřící aparatura
Laser
Fotodioda
v objímce
se štěrbinou
před diodou
Multimetr
pro měření
fotoproudu
na fotodiodě
Hranol
Stupnice pro odečet
otočení vzorku a
otočení detektoru:
Úhel na stupnici roste
ve směru chodu
hodinových ručiček
při pohledu shora.
Rameno
goniometru
pro otáčení
vzorkem
Šroub pro
svázání otáčení
stojanu vzorku
s ramenem
goniometru
Šroub
lineárního
posunu
fotodiody
Ciferník
úchylkoměru
Obr. 8
Ryska a nonius
pro odečtení úhlu
otočení vzorku.
Úloha 7 – volitelné části
Úchylkoměr pro měření lineárního posunu fotodiody
při měření posunu paprsku po průchodu planparalelní deskou
Odečet setin milimetru
Odečet celých
milimetrůKontakt hrotu
úchylkoměru
s nosnou
deskou držáku
fotodiody
Obr. 9
Úkoly
Odraz a lom světla.
●
Vyneste závislosti odrazivosti dielektrika v s- a p- polarizaci a odrazivosti nepolarizovaného světla na úhlu dopadu do grafu.
●
Z odrazivosti s- a p-polarizace určete index lomu dielektrika z měřených hodnot pro dva úhly pod Brewsterovým úhlem a pro dva úhly
nad Brewsterovým úhlem.
●
Určete index lomu a nejistotu určené hodnoty z měření Brewsterova úhlu.
●
V grafu porovnejte naměřené závislosti odrazivostí s vypočtenými s tím, že budete uvažovat index lomu stanovený z Brewsterova
úhlu.
Volitelná část A – průchod světla planparalelní deskou
●
Vykreslete závislost posuvu vystupujícího paprsku z planparalelní desky na úhlu dopadu.
●
Pro každý úhel dopadu určete z hodnoty posunu paprsku index lomu a výsledky statisticky zpracujte.
●
Ověřte souhlas vypočteného posuvu paprsku s naměřenými hodnotami.- vyneste teoretickou závislost spolu s experimentálními
daty do jednoho grafu
Volitelná část B – průchod světla hranolem
●
Určete index lomu hranolu z minimální deviace lomeného paprsku
●
Vyneste naměřenou závislost deviace paprsku na úhlu dopadu a ověřte souhlas s vypočítanou závislostí.
Soubory s daty a komentáři pro „distanční“ praktikum:
ul7_BrewsteruvUhel.txt … závislost fotonapětí na úhlu dopadu p-polarizovaného světla pro úhly v okolí Brewsterova
úhlu, měření s malým úhlovým krokem
ul7_komentare_odrazNaDielektriku.txt … komentáře k měření fotonapětí v povinné části úlohy (odraz na dielektriku)
a k zápisu fotonapětí v příslušných datových souborech
ul7_Zavislost_SP_Odrazivosti.txt … závislost fotonapětí indukovaného odraženým světlem na úhlu dopadu s- resp. ppolarizovaného
světla
uloha7_hranol.txt … data k úloze „průchodu světla hranolem“
uloha7_planparalelni_deska.txt … data k úloze „průchodu světla planparalelní deskou“