Sự phân cực ánh sáng dùng tia laser

1
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. Thớc đo góc 0 - 360
0
, chính xác 1
0

4. Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng
;
5. Bộ khuếch đại và chỉ thị cờng 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 trờng E hay còn gọi là vectơ sóng
sáng luôn dao động theo phơng vuông góc với
phơng truyền v của sóng sáng (tia sáng).
Nh 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 phơng 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 phơng vuông góc với tia sáng đợc gọi là
ánh sáng tự nhiên (Hình 1).
Nếu ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ dao
động theo một phơng xác định vuông góc với tia
sáng gọi là ánh sáng phân cực phẳng (hoặc thẳng).
Mặt phẳng chứa tia sáng và phơng 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
phơng 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

so với
quang trục Q của bản này, thì chỉ có thành phần
E
1
song song với quang trục Q mới truyền đợc

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

.
Vì cờng độ sáng tỷ lệ thuận với bình phơng
biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu E
0
là biên độ
của vectơ sóng sáng E và I
0

( )
= E
0
2
là cờng
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
E E
01 0
= .cos

và cờng độ sáng I
1
ở phía
sau bản phân cực bằng :
I
1
=
( ) ( )
E E
01
2
0
2
= .cos


hay I
1
= I
0
. cos
2

(1)

Đây là công thức của định luật Malus về phân
cực ánh sáng. Rõ ràng, khi

= 0 thì cos

= 1 :
cờng độ sáng sau bản kính phân cực đạt cực
đại I
1max
= I
0
; còn khi

= 90
0
thì cos

= 0 :
cờng độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực
tiểu I
1min
= 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 thớc tròn T (đợc chia độ từ 0 ữ
360
0
) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc

quay

giữa phơng của vectơ sóng sáng E
truyền tới bản phân cực P và quang trục Q của
bản này. Để khảo sát sự thay đổi cờng 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 đợc đa vào bộ
khuếch đại và chỉ thị cờng 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 cờng
độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V. Vặn núm
chọn thang đo N của micrôampekế điện-tử
à
A

2
tới vị trí 100 và vặn núm biến trở R (ngợc 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 micrôampekế
à
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 K
1
của diode laser DL, ta sẽ
nhận đợc 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 thớc tròn chia độ T cho tới khi kim của
micrôampekế
à
A
đạt độ lệch lớn nhất. Sau đó, vặn
từ từ núm biến trở R (ngợc chiều kim đồng hồ)
để kim của micrôampekế

à
A
dịch chuyển tới vị
trí của vạch 100 trên mặt thang đo của
micrôampekế
à
A
. Đọc và ghi giá trị góc quay
ban đầu

0
(trên thớc tròn chia độ T) của bản
phân cực P vào bảng 1 .
5. Tiếp tục quay thớc tròn chia độ T để tăng
góc quay

(mỗi lần tăng 5
0
) từ giá trị ban đầu

0
đến giá trị = + 360
0
. Đọc và ghi các giá trị
tơng ứng của góc quay

và của cờng độ sáng
I
1
(tỷ lệ với cờng 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 thớc tròn chia
độ T .
2. Cắm phích lấy điện của khuếch đại và chỉ
thị cờng 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
(ngợc 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
micrôampekế
à
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 K
1
của diode laser DL, ta sẽ
nhận đợc 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 thớc tròn chia độ T cho tới khi kim của
micrôampekế
à
A
đạt độ lệch lớn nhất. Sau đó, vặn
từ từ núm biến trở R (ngợc chiều kim đồng hồ)
để kim của micrôampekế
à
A
dịch chuyển tới vị
trí của vạch 100 trên mặt thang đo của
micrôampekế
à

A
. Đọc và ghi giá trị góc quay
ban đầu

0
(trên thớc tròn chia độ T) của bản
phân cực P vào bảng 1 .
5. Tiếp tục quay thớc tròn chia độ T để tăng
góc quay

(mỗi lần tăng 5
0
) từ giá trị ban đầu

0
đến giá trị = + 360
0
. Đọc và ghi các giá trị
tơng ứng của góc quay

và của cờng độ sáng
I
1
(tỷ lệ với cờng 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 thớc 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 đợc của cờng độ
sáng I
1
và của góc quay

tơng ứng trong
bảng 1, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số :
I
1
= f ( X ) với X = cos
2

(3)

Chú ý : Cần kiểm tra chính xác các vị trí tại đó
cờng độ sáng đạt cực đại hoặc cực tiểu bằng
cách ở lân cận hai phía của mỗi vị trí này (trong giới
hạn 5
0
) chỉ thay đổi mỗi lần 1
0
đối với góc quay

và đọc giá trị cờng độ sáng I
1
tơng ứng .Từ
3
DL

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




à
A

K
1
P T QĐ
V
R "0"
1 10 100
K
N
C +

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 cờng độ sáng I ở phía
sau bản phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào
góc

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 phơng 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
Trờng ........................................

Lớp ...................Tổ .....................
Họ tên .........................................

I. Mục đích thí nghiệm
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................

II. kết quả thí nghiệm


Bảng 1
- Giá trị độ chia nhỏ nhất của thớc đo góc T : ...................
- Giá trị độ chia nhỏ nhất trên micrôampekế
à
A
: ................

4




I
1


cos

cos
2






I
1


cos



cos
2


0 50
5 55
10 60
15 65
20 70
25 75
30 80
35 85
40 90

45 0

1. Vẽ đồ thị
I
1
= f ( X ) với X = cos
2
















2. Kết luận
Đồ thị
I
1
= f ( X ) với X = cos
2

có dạng một đờng .........................(thẳng, cong,.......)
tức là cờng độ ánh sáng phân cực
I
1
phụ thuộc X = cos
2

theo qui luật hàm bậc .....................
Kết quả này chứng tỏ định luật Malus về phân cực ánh sáng ..................................................
(đã nghiệm hoặc không nghiệm đúng) .