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1 1 Wie weiter oben eingehend behandelt, sind elektromagnetische Wellen trans- versal, haben also zwei Polarisationsrichtungen senkrecht zur Ausbreitungs-

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1 1 1 Wie weiter oben eingehend behandelt, sind elektromagnetische Wellen trans- versal, haben also zwei Polarisationsrichtungen senkrecht zur Ausbreitungs- richtung. Sonnenlicht, Licht von Glühlampen usw. sind im allgemeinen unpolarisiert, jede Schwingungsrichtung senkrecht zum k-Vektor kommt vor: x y E unpolarisiertes Licht, jeder E-Vektor kommt vor Es gibt auch polarisierte Strahlungsquellen wie z.B den Laser oder die Mikro- welle erzeugt durch ein Klystron. Um aus unpolarisiertem Licht polarisiertes Licht zu erzeugen, verwendet man Polarisatoren.

2 2 Es gibt verschiedene Typen von Polarisatoren, die einfachsten sind Polarisationsfolien, die die Eigenschaft von langgestreckten Molekülen nur eine Polarisationsrichtung stark zu absorbieren (optischer Dichroismus). starke Absorptionsrichtung schwache Absorptionsrichtung Vorführung gekreuzte Absorptionsfolien Dichroismus Polarisation durch Reflexion Durch Reflexion an einem Dielektrikum kann man ebenfalls einen vollständig polarisierten Strahl erzeugen. Vorführung Reflexion unter Brewster-Winkel

3 3 Man stellt fest, daß unter einem ganz bestimmten Winkel, dem Brewster-Winkel B, das reflektierte Licht vollständig polarisiert ist, und zwar mit der Polarisationsrichtung senkrecht zur Einfallsebene: Luft Glas B polarisiert senkrecht zur Papier- ebene Da k r senkrecht zu k d steht, gilt: Mit dem Brechungsgesetz folgt sofort das Brewstersche Gesetz:

4 4 Wenn man die Intensität des reflektierten Strahls R für die beiden Polarisationsrichtungen parallel und senkrecht zur Einfallsebene ausmisst, ergibt sich folgendes Bild: R 0° 90° B Die Tatsache, daß die Polarisationsrichtung parallel zur Einfallsebene bei nicht reflektiert wird, kann man sich im Bild der erzwungenen Dipol- schwingungen im Glas leicht erklären: 90° + - Die Dipole strahlen in Achsrichtung nicht ab!

5 5 Doppelbrechung Die technisch wichtigsten Polarisatoren nutzen das Prinzip der Doppelbrechung, das man in vielen dielektrischen Kristallen findet z.B. in Kalkspat CaCO 3 Saphir Al 2 O 3 Quarz SiO 2 anders als optisch isotrope Materialien wie Glas, Wasser oder NaCl hängt bei diesen Kristallen die Brechung von der Polarisationsrichtung ab und das Snellius- sche Brechungsgesetz gilt im allgemeinen nicht. Der Grund liegt im komplizierten, schiefwinkeligen Aufbau dieser Kristalle. Die Kristalle haben eine ausgezeichnete Symmetrieachse, die optische Achse, die für die Brechung eine wichtige Rolle spielt. Vorführung Doppelbrechung am Kalkspatkristall

6 6 Wir lassen den Laserstrahl auf eine senkrechte Seitenfläche des Kristalls fallen, die optische Achse (oA) steht dabei unter einem schiefen Winkel zum einfallenden Licht: oA ordentlicher Strahl (O) außerordentlicher Strahl (AO) CaCO 3 Man macht überraschende Feststellungen: 1.) Der Strahl wird in eine ordentlichen Strahl (O) und einen außer- ordentlichen Strahl (AO) aufgespalten. 2.) Der AO Strahl genügt nicht dem Brechungsgesetz 3.) Sowohl O als auch AO sind vollständig polarisiert

7 7 Die Polarisationsrichtung ist dabei durch die Lage der oA gegeben (siehe Zeichnung): AO: schwingt immer in der Ebene, die die optische Achse enthält O: schwingt immer senkrecht dazu Die Doppelbrechung macht man sich zunutze, um perfekte Polarisatoren mit einem Polarisationsgrad P> % zu bauen. Eine Realisierung ist das Nicolsche Prisma, gebaut aus zwei CaCO 3 -Prismen oA O AO unpol. oA Kleber mit n

8 8 Es gibt bei doppelbrechenden Kristallen eine ausgezeichnete Richtung, bei der es keine Doppelbrechung gibt, nämlich wenn der Strahl genau senkrecht zur oA einfällt: oA AO O unpol. CaCO 3 Hier sind die Strahlen nicht getrennt, aber der Brechungsindex für AO und O ist verschieden: n O =1.66 n AO =1.48 Das führt zu Phasenverschiebungen zwischen O und AO, da die Laufzeiten verschieden sind.

9 9 Zirkular polarisiertes Licht Diese Eigenschaft kann man sich zunutze machen, um eine spezielle, in der Natur nicht vorkommende elektromagnetische Welle zu erzeugen, nämlich eine Welle mit zirkularer Polarisation. Darunter versteht man eine Welle, bei der sich der E-Vektor mit der Kreisfrequenz in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung dreht. Im Raum beschreibt der E-Vektor dann eine Spirale, mit einer vollständigen Drehung pro Periode T 0. Mathematisch kann man eine solche Welle herstellen, indem man eine Welle polarisiert in x-Richtung und eine Welle polarisiert in y-Richtung, die gegenüber der ersten Welle um 90° phasenverschoben ist, addiert: Bei dieser Welle dreht sich der E-Vektor wie gewünscht im Uhrzeigersinn mit

10 10 Zur physikalischen Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht benutzt man ein Kalkspatplättchen mit der Orientierung wie eben gezeichnet und nutzt die unterschiedliche Laufzeit von O und AO aus. Der optische Wegunterschied zwischen O und AO beträgt : Wenn die Amplituden von O und AO gleich sind und man wählt, erhält man zirkular polarisiertes Licht. Der Aufbau sieht so aus: PA Platte oA AO O PolarisatorAnalysatorLampe Kondensor

11 11 Man polarisiert das Licht mit dem Polarisator P so, daß der E-Vektor um 45° zur optischen Achse steht, dann haben O und AO dieselbe Amplitude, durch die definierte Dicke entsteht ein Phasenunterschied von Platte). Mit dem Analysator A kann man die zirkular polarisierte Welle nachweisen. Vorführung zirkular polarisiertes Licht Polarisationsoptik Polarisationseffekte werden in der Technik vielfältig ausgenutzt. Ein Beispiel ist die Spannungsdoppelbrechung zur Untersuchung von mechanischen Spannungszuständen unter Belastung. Der Ausgangspunkt ist die Tatsache, daß ein optisch isotropes Material wie Glas unter einer Spannung doppelbrechend wird: oA Die Kraft F erzeugt im Glas eine optische Achse. Falls der E-Vektor nicht genau unter 45° zur optischen Achse steht, entsteht elliptisch polarisiertes Licht mit unterschiedlichen Amplituden E x nnd E y

12 12 Man stellt den Gegenstand zwischen gekreuzte Polarisatoren und sieht bei mechanischen Spannungen Aufhellungen und Verfärbungen, da die Doppelbrechung die Polarisationsrichtung dreht. Linien gleicher Spannung verfärben sich gleichmäßig. Plexiglas PA PolarisatorAnalysator Vorführung Spannungsdoppelbrechung Drehung der Polarisationsebene Optisch aktive organische Moleküle wie z.B. Zucker drehen die Polarisations- richtung von polarisiertem Licht, die Drehung kann man zum Beispiel in der Chemie für präzise Konzentrationsbestimmungen von Lösungen ausnutzen..

13 13 Vorführung Drehung mit Zuckerlösung PA PolarisatorAnalysator Zuckerlösung Abhängig von der Molekül- struktur gibt es linksdrehende und rechtsdrehende Moleküle. Für den Drehwinkel gilt die Beziehung: ( Konzentration c, vom Lichtstrahl durchlaufenen Länge L, spezifisches Drehvermögen

14 14 Elektrooptischer und magnetooptischer Faradayeffekt Als letztes sei noch erwähnt, daß Moleküle mit einem Dipolmoment in einem elektrischen Feld und Moleküle mit magnetischen Moment im magnetischen Feld ebenfalls die Polarisationsrichtung drehen. PA PolarisatorAnalysator U polare Moleküle (z.B. H 2 O, SO 4...) Hier ist der Drehwinkel proportional zur elektrischen Polarisation. Genauso ist bei magnetisierbaren Molekülen der Drehwinkel proportional zur Magnetisierung M

15 15 Zusammenfassung Wellenoptik Newtonsche Interferenzringe Pohlscher Interferenzversuch Bedingung Antireflexbeschichtung Michelson Interferometer Intensitätsminima/maxima Bedingung für Beugungsminimum Einzelspalt Intensitätsverteilung Einzelspalt Beugungsmaxima Doppelspalt/ Beugungsgitter

16 16 Spektrale Auflösung Beugungsgitter Brewsterwinkel Bedingung für zirkular polarisiertes Licht


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