Slezská univerzita v Opavě – Filosoficko-přírodovědecká fakulta

                                 Fyzikální praktikum III – Optika

Jméno:


               Ročník, obor:

               Druhý,

                            Vyučující:


                                      Datum měření:


Akademický rok:


Název úlohy:

                   Energetické poměry při odrazu optického záření na dielektriku

Datum odevzdání:


Číslo úlohy:

6

Hodnocení:


1      Teoretický úvod:

V této úloze máme ověřit platnost Fresnelových vztahů pro odraz a lom na dielektriku. Odvozením z
Maxwellových rovnic získáváme pro amplitudy odraženého vlnění A” vztahy (1)

                                        ,                                                       (1)

kde indexy p (resp. s), označují meridiální (resp. sagitální) složku amplitudy, a[1] (resp. a[2])
označuje úhel dopadu (resp. úhel lomu) a nečárkované A přísluší amplitudám dopadajícího vlnění.
Odraz a lom na dielektriku je pro meridiální složku intenzity naznačen na Obr. 1.

               Obr 1. – Odraz a lom na dielektriku pro meridiální složku intenzity.


Pro popis energetických poměrů při odrazu optického záření na povrchu dielektrika je základní
veličinou postupného vlnění jeho intenzita, která je dána vztahem (2)

                                  ,                                                             (2)

kde n, e a m jsou charakteristiky prostředí. Konkrétně máme v této úloze za úkol zjistit závislost
tzv. odrazivosti povrchu dielektrika pro záření se složkou kolmou k rovině dopadu a se složkou
ležící v rovině dopadu v závislosti na úhlu dopadu záření. Odrazivost R je pomocí Fresnelových
vzorců definována jako (3)

                                    ,                                                           (3)

kde jsou indexy p a s označené odrazivosti pro meridiálně a sagitálně polarizované vlnění.
Dosazením ze vztahů (1) do rovnic (3), dostaneme praktické vztahy pro výpočet (4)


                                                                                                (4)

V této úloze však měříme napětí U, vyvolané na fotodiodě dopadem světla intenzity I. Jelikož víme,
že toto napětí je přímo úměrné intenzitě dopadajícího světla, můžeme vztahy (3) přepsat do tvaru
(5)

                                      ,                                                         (5)

kde U[s] a U[p] jsou napětí úměrná intenzitám dopadajícího záření a U[s]” , U[p]“ napětí na diodě
úměrná intenzitám odraženého záření.


Dopadá-li elektromagnetické vlnění na rozhraní dvou dielektrik, dochází při jeho odrazu a lomu
k ovlivnění jeho polarizačního stavu. Ze vztahů (1) je pro složku p vidět, že blíží-li se
jmenovatel k nekonečnu, klesá hodnota amplitudy odraženého vlnění k nule. Tato situace nastává pro
úhel dopadu a[B ], což je tzv. Brewsterův úhel. Dosazením do Snellova zákona získáváme pro tento
úhel vztah (6)

                                 ,                                                              (6)

kde n a n’ jsou postupně indexy lomu obou prostředí. Na Obr. 2 je znázorněno experimentální
uspořádání.


                                  Obr. 2 – Uspořádání experimentu








2      Použité měřící přístroje a pomůcky

Optická lavice, He-Ne laser s polarizátorem, dielektrikum, fotodioda, voltmetr.



3      Postup měření


1)      Nejprve seřídíme stolek s dielektrikem tak, aby při nulové hodnotě na stupnici mířil
odražený paprsek přímo zpět do zdroje.

2)      Poté vypočteme Brewsterův úhel  pro dané dielektrikum a pootočíme stolek s dielektrikem o
tento úhel.

3)      Snímačem měříme intenzitu odraženého světla a otáčíme laserovým zdrojem tak dlouho, dokud
není intenzita odraženého světla nejmenší. V tu chvíli na dielektrikum dopadá světlo polarizované
v meridiální rovině, tedy v rovině rovnoběžné s rovinou dopadu.

4)      Odstraníme dielektrikum z dráhy paprsku a změříme napětí úměrné intenzitě prošlého svazku
U[p].

5)      Vrátíme dielektrikum na otočný stolek, znovu jej seřídíme a provedeme měření napětí U[p]“ ,
které je úměrné intenzitě odraženého svazku, v co největším rozpětí úhlů dopadu a.

6)      Otočíme laserový zdroj o 90°, nyní na dielektrikum dopadá světlo polarizované v sagitální
rovině, tedy v rovině kolmé k rovině dopadu.

7)      Opakujeme předchozí body 4) a 5) a měříme analogicky napětí U[s], U[s]“.

8)      Sestrojíme graf naměřené závislosti odrazivosti na úhlu dopadu, proložené teoretickými
křivkami