TEKNISKA HÖGSKOLAN VID LINKÖPINGS UNIVERSITET IFM

Elektromagnetism (TFYA86)

LJUSVÅGOR

LABORANT

PERSON-NUMMERDATUM

GODKÄND

(Mars 11 BS)

1

MÅL Avsikten med laborationen är att illustrera en del fenomen som behandlats i kursen Fysik (TFYA86) och hur de kan yttra sig för elektromagnetiska vågor i form av synligt ljus och mikrovågor. Det handlar främst om fenomen i delar av kap 33, 35 och 36 i kursboken University Physics, 13th ed. Det tillförs även viss ny kunskap. Vad du skall mäta/undersöka/komma i kontakt med är:

1. Diffraktion i enkelspalt och cirkulärt hål. 2. Gitter 3. Mikrovågor, kvalitativ interferens och diffraktion.

Till dessa 3 experiment finns utrustning till alla laborationsgrupperna. Dessutom finns en uppställning vardera av några andra experiment vilka demonstreras, alternativt görs växelvis mellan laborationsgrupperna. Dessa experiment är:

4. Michelsons interferometer 5. Polarisationsriktningens inverkan på reflektion av ljus, kvalitativ bestämning

av Brewstervinkeln och brytningsindex för en glassort. 6. Spänningsoptik. 7. Flytande kristall 8. Hologram

En förberedelseuppgift (fetstilt) finns på sid. 3. NÅGRA ORD OM LASERN Elektromagnetiska vågor med våglängder i området c:a 400 - 750 nm och motsvarande frekvensområde c:a 4·1014 - 7,5·1014 Hz, kan detekteras av det mänskliga ögat och är alltså synligt ljus. Det finns idag ingen detektor som är tillräckligt snabb för att notera svängningarna i det synliga ljuset för visas på ett oscilloskop eller detekteras av en frekvensräknare. Alla tillgängliga ljusdetektorer ger alltså ett medelvärde av den infallande intensiteten. (Vilken tror du storleksordningen är på de högsta frekvenser (sinus eller fyrkant) som kan alstras elektroniskt idag?) Då en exciterad elektron återgår till ett lägre energitillstånd (deexciteras) avges energi-skillnaden i form av en foton - en elektromagnetisk puls. Sambandet mellan energi-skillnaden E, och fotonens energi ges av E = h·f där h är Plancks konstant och f frekvensen. Om frekvensen hamnar i intervallet ovan, ger fotonerna på ögats näthinna upphov till reaktioner som ger synintryck. Elektroner kan exciteras på några olika sätt. Fasta ämnen kan ges hög temperatur, såsom glödtråden i en glödlampa. Vid uppvärmningen exciteras elektroner men de blir inte kvar i det exciterade tillståndet någon längre tid utan återgår mycket snabbt, efter c:a 10-8 sek, till ett lägre tillstånd (för att återigen exciteras). I fasta glödande ämnen finns många, mycket tätt liggande nivåer, vilket leder till att det utsända ljuset har en kontinuerlig våglängdsfördelning. I en gas kan excitationen ske genom att gasatomerna eller molekylerna utsätts för stötar av elektroner eller joner, som har accelererats i ett elektriskt fält. Detta är fallet i lysrör och urladdningsrör ("neonrör") och även där sker deexcitationen mycket snabbt. I gaser (som består av fria molekyler och/eller atomer) är

2

energinivåerna kvantiserade, vilket gör att det utsända ljuset har diskreta energier. Man får spektrallinjer som är fingeravtryck av den aktuella gasen och är grunden för en vanlig analysmetod. I ett lysrör är det inte ljuset från gasen man ser utan ljus från en fluorescerande beläggning på rörets innerväggar. Deexcitationen sker i vanliga ljuskällor spontant, helt slumpvis, så att fotonerna i tid sänds ut huller om buller. Om ljuskällan är sådan att det bara finns en enda energiskillnad, dvs. en monokromatisk källa, har alla fotonerna samma frekvens, men deras faslägen varierar inbördes på grund av den spontana deexcitationen. Handlar det om flera möjliga energiövergångar blir det således ett sammelsurium av våglängder och faslägen. Det går emellertid att åstadkomma långlivade, exciterade tillstånd i vissa ämnen, dvs. en elektron kan föras upp till en högre energinivå och bli kvar där en "lång" stund. Från en långlivad nivå kan elektronen fås att gå till en lägre energinivå, genom att påverka den med en foton med samma frekvens som den står i begrepp i att avge vid sin egen deexcitation. Denna typ av inducerad (triggad) ljusutsändning kallas stimulerad emission. Det visar sig att den utsända fotonen får samma riktning, fas och polarisation som den stimulerande fotonen. En exciterad atom kan alltså ligga beredd att sända ut en foton, och gör det då den passeras av en identisk foton som den själv vill sända ut - den stimuleras alltså till fotonemission. Om en infallande foton passerar genom en stor mängd exciterade atomer kan den ge upphov till en lavin av stimulerade fotoner. Detta är principen för en LASER, och därav namnet, som är en akronym av Light Amplification by Stimulated Emission Radiation. För att lasring skall uppstå måste det finnas fler atomer i exciterade tillstånd än i grundtillståndet - inverterad population Det finns olika typer av lasrar. Vid laborationen används en helium-neonlaser där laserverkan erhålls för en övergång i neon vid våglängden 632,8 nm. En HeNe-laser är ett glasrör med speglar i båda ändarna, (se fig. 1) där den ena spegeln är delvis transparent. I röret finns en blandning av helium och neon med totaltrycket c:a 0,001 ATM. Två elektroder är anslutna till en spänning av några kV vilken alstrar en urladdning i röret. Vid urladdningen exciteras bl. a den långlivade nivån, vilken ger lasringen. De lasrande fotonerna reflekteras fram och tillbaka mellan speglarna och det blir en stående våg i röret. En del av den stående vågen passerar den delvis genomskinliga spegeln och sänder ut laserstrålen. Det blir naturligtvis också många spontana deexcitationer med tillhörande fotonutsändning med varierande våglängder, men det sker åt alla håll och dess bidrag till den axiella laserstrålningen blir mycket litet.

Fig. 1 Princip för laser.

3

I en stående våg är ju flera frekvenser möjliga. Med samma randvillkor i båda ändar av röret ges de möjliga frekvenserna av vp = n·c/2L, där c är ljushastigheten, L rörets längd och n = 1, 2, 3, ... Laserfrekvensen måste alltså uppfylla detta villkor. Betyder det att rörets längd måste anpassas exakt till laserfrekvensen? Det verkar litet besvärligt och så är det inte, vilket är tur för i så fall hade det varit svårt att åstadkomma en laser. Det är nämligen så, att det är en viss bredd i frekvensen eller våglängden kring ett medelvärde hos laserfotonerna, enligt linjen "lasernivåfördelning" i fig. 2:

Fig. 2. Frekvensfördelning för lasernivån och lasrande frekvenser. De våglängder inom denna fördelning som uppfyller resonansvillkoret kommer att överleva och bidra till laserljuset - de smala "topparna" ("möjliga resonanser") i fig. 2. Frekvensskillnaden mellan två närliggande frekvenser blir Δf = c/2L, och frekvensskillnaden ökar alltså med minskade rörlängd. Ljus från en Henne-laser är alltså inte idealt monokromatiskt utan består av komponenter. Hur tätt de ligger och hur många de är beror i sin tur på rörets längd och den ursprungliga fördelningen. Då en laser startas värms röret upp varvid dess längd ökar på grund av värme-utvidgningen. Resonansvillkoret ändras alltså varvid de smala topparna i fig. 2 kommer att driva i den större fördelningen, vilket leder till att intensiteten kommer att variera. Det är inte så mycket så att det syns för blotta ögat men med en ljusdetektor märks det tydligt. För att en laser skall ge stabil intensitet bör den alltså stå på en stund, så att röret nått sin jämviktslängd. NÅGRA ORD OM HOLOGRAFI Antag att två identiska plana ljusvågor korsar varandra i rummet, enligt fig. 3. I området där båda vågorna samverkar uppstår interferens. I fallet plana vågor blir interferensmönstret räta linjer med en intensitetsvariation i y-riktningen i figuren. Sätts en fotografisk plåt i interferensmönstret fångas det på plåten. Förberedelseuppgift: Visa att avståndet på plåten, mellan två närliggande intensitetsmaxima eller minima, blir λ/sinβ. Antag nu att plåten exponerats i interferensmönstret och därefter framkallats. På plåten finns då en uppsättning mörka och ljusa linjer. (Det kanske bör påpekas att den fotografiska emulsionen som reagerar på ljuset i detta fall är på en glasskiva, varför de efter framkallningen mörka partierna således blir icke transparenta och de ljusa transparenta.) Vi tar plåten med interferenslinjerna och sätter tillbaka den på samma ställe som vid exponeringen, men låter enbart våg A falla in mot plåten, enligt figur 4.

4

Fig. 3 Två korsade, identiska plana vågor.

Fig. 4. Rekonstruktion av hologram. Det på plåten fångade interferensmönstret kommer då att fungera som ett gitter, med spaltavståndet D=λ/sinβ, och bryta den infallande vågen. Villkoret för diffraktion (med hög intensitet) i ett gitter är Dsinθ = n·λ, vilket med n = 1 ger (λ/sinβ)·sinθ = 1·λ och således θ = β. Den brutna vågen kommer alltså att ha samma riktning som våg B, vid exponeringen med de två vågorna. Vågen B återskapas alltså - man säger att den rekonstrueras. Det blir naturligtvis fler brutna vågor men det intressanta och viktiga är att samma våg återskapas i gittret. Ett gitter framställt på detta sätt kallas ett holografiskt gitter och är numer den vanliga metoden att framställa "bra" gitter. Det beskrivna är också principen för holografi. Vid framställningen av ett hologram blandas inte som nu två identiska vågor, utan två vågor där den ena innehåller information om ett objekt, se fig. 5. En ljusstråle (2) från en laser (1), delas av en halvgenomskinlig spegel (3) upp i två strålar, (4) och (7). Strålarna divergeras (5) och (8) och den ena, som kallas referensvågen, får träffa en fotografisk plåt (6). Den andra får belysa ett objekt och det från det reflekterade ljuset (objektvågen) får sedan också träffa plåten (6). På plåten blir det således en blandning av två vågor med samma frekvens, men där faslägena varierar över plåten.

5

Fig. 5 Princip för framställning av hologram.

Det blir på plåten ett interferensmönster, men inte med de snygga linjerna som i det tidigare beskrivna fallet, utan ett sammelsurium av ljusa och mörka områden som efter exponering kan se ut som i fig. 6. Mönstret måste dock innehålla information om objektet, eller hur?

Fig. 6. Exempel på hologram, dvs. ett fotograferat interferensmönster.

Fig. 7. Rekonstruktion av hologram.

Vi gör nu på samma sätt som i det första fallet, dvs. exponerar, framkallar och sätter tillbaka plåten och belyser den enbart med referensstrålen. Interferensmönstret kommer då att diffraktera referensljuset och återskapa objektvågen. Sätter du ögat vid (6) i fig. 7 kommer du att "se" objektet som om det vore där, dvs. tredimensionellt. Den bild ögat ser är en virtuell bild, dvs. divergent ljus som bryts till en bild på näthinnan. Det kommer också att skapas en reell bild, dvs. ljus som konvergerar och ger en bild på en skärm, (8) i fig. 7. Du hinner inte göra ett hologram vid laborationen men skall se på en uppställning för detta och även se på ett färdigt hologram.

6

UTFÖRANDE Här följer en kort beskrivning av utrustningen och de uppgifter som ska utföras. Kombinerat med till laborationen medförd fantasi och självförtroende samt muntliga instruktioner vid platsen, skall detta möjliggöra genomförandet av experimenten. Använd din fantasi - kommer du på något du skulle vilja göra med utrustningen för att kolla något du är nyfiken på så gör det. Se till att du inte går från laborationen med några obesvarade frågor.

1. Diffraktion i enkelspalt och cirkulärt hål

1.1. Kvalitativt Placera den varierbara spalten i laserstrålen.

Fig. 8. Enkelspaltsarrangemang

Ändra spaltbredden och se på mönstret.

• Vad händer då spalten blir mycket smal respektive bred? Svar: __________________________________________________________ _______________________________________________________________

• Våglängden är nu konstant men vad skulle hända om du med konstant spaltbredd skulle kunna variera våglängden - för ökande respektive minskande våglängd? Svar: __________________________________________________________ _______________________________________________________________

Notera att det som händer i spalten händer för alla vågor då de träffar en öppning - det är inte inskränkt till ljus från en laser och en smal spalt. Det är bara det att det är lätt att visa på det sätt du nu gjort. Det är heller inte inskränkt till att en våg träffar en öppning, utan kan generaliseras till alla situationer med en utbredd vågkälla, t ex ett högtalarmembran eller en antenn. Det man ofta är intresserad av är vinkeln mellan framriktningen och första sidominimum eller vinkeln mellan de första minima på ömse sidor om centralmaximum, eftersom de anger hur smalt eller brett vågen strålar ut från den aktuella vågkällan. Formulera din egen minnesregel för smal respektive bred stråle. Minnesregel: _________________________________________________________ ____________________________________________________________________

7

1.2. Kvantitativt - vinkelsamband Intensiteten vid diffraktion i en enkelspalt beskrivs av (motsvarar ekvation 36.5 i kursboken):

2sin⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=

αα

mII , där λ

θπα sina= .

Låt oss se efter hur det stämmer med verkligheten. I uttrycket ingår förutom. Im, våglängden λ, spaltbredden a, och riktningen θ. Våglängden hos lasern är 632,8 nm. I interferensmönstret är nollställen lätta att lägesbestämma och därmed är det även lätt att bestämma vinkeln θ till nollställena. Med kännedom om vinkeln till ett visst nollställe (och väglängden) är det alltså möjligt att beräkna spaltbredden. Om du nu gör det så är det ju trevligt att kunna mäta spaltbredden på något annat sätt för att kontrollera det beräknade värdet. Nu är det litet besvärligt att mäta spaltbredden i efterhand så i stället ställer du in en känd spaltbredd med hjälp av ett bladmått, som placeras i spalten, vars bredd minskas tills det "tar emot".

Uppgifter Ställ in en lämplig spaltbredd, där med lämplig menas en bredd som ger ett

diffraktionsmönster som gör det möjligt att bestämma läget (lägen) och därmed vinkeln till minima. Beräkna sedan spaltbredden och se efter hur det stämmer med den inställda bredden. Ar du nöjd med överensstämmelsen? Svar: _______________________________________________________________ Är situationen i laboratoriet identisk med den ideala, som ligger till grund för det teoretiska uttrycket? Svar: _______________________________________________________________

1.3. Cirkulärt hål Diffraktion sker i alla öppningar som träffas av en våg, vilket alltid resulterar i ett centralmaximum och ett första sidominimum med en viss vinkel dem emellan. Om du vill ha reda på storleksordningen för denna vinkel kan du alltid använda enkelspaltsuttrycket. Ett noggrannare värde måste emellertid ta hänsyn till hålets utformning. För diffraktion i ett cirkulärt hål med diametern d gäller:

dλθ 22,1sin 1 =

där θ1 är vinkeln mellan framriktning och första sidominimum. Uppgift Du har i en diabildram en skiva med tre cirkulära hål. Låt laserstrålen passera hålen. Mät upp vinkeln θ1 och beräkna diametern för de tre hålen. Jämför med fabrikantens uppgift, som assistenten känner till. Svar: _______________________________________________________________

8

Problem 1 Du har nu placerat hinder med öppningar i laserstrålens väg, dvs. blockerat en del av den infallande laserstrålen, varvid diffraktion uppstått. Diffraktionen kan "förklaras" genom att man tänker sig ett stort antal elementarvågkällor placerade i spaltöppningen. Dessa sänder ut vågor som superponeras och i vissa riktningar tar ut varandra och i andra riktningar förstärker varandra och bildar diffraktionsmönstret. Om man resonerar på samma sätt i laserstrålen innan strålen nått fram till spalten, så borde det också ge upphov till diffraktion. Laserstrålen går dock fram opåverkad och diffrakteras först då den passerar öppningen. Förklara! Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Problem 2 Hur stor skulle vinkeln mellan centralmaximum och första sidominimum bli vid diffraktion i ett cirkulärt hål med diametern 1 mm. Har du den situationen vid labplatsen och kan du göra en kvalitativ mätning? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Problem 3

Öppningarna (spalt och hål) har blockerat laserstrålens kanter och låtit den centrala delen passera och givit upphov till diffraktion. Vad kommer att hända om du i stället blockerar laserstrålens centrum med ett smalt hinder, t ex ett hårstrå? Se efter. Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

2. Gitter Många spalter bredvid varandra kallas gitter. Det fullständiga uttrycket för intensitetsfördelningen från ett gitter beskrivs av uttrycket

22 sinsin⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=

ββ

αα NII m

där Im är intensiteten rakt fram från en spalt,

λ

θπα sina= och

λ

θπβ sind=

θ är vinkeln mellan rakt fram och aktuell riktning a är spaltbredden, d kallas gitterkonstanten och är avståndet mellan centra i närliggande spalter och N är antalet "belysta" spalter i gittret. Den första faktorn i uttrycket beskriver diffraktionen från en enkelspalt och den andra

9

samverkan mellan enkelspalterna. Grafen nedan visar utseendena av den första faktorn och det totala uttrycket som funktion av θ för fallet a = λ, d = 4λ, N = 10 och Im godtyckligt satt till 0,3.

Fig. 9 Intensitet som funktion av vinkel för gitter med N = 10 spalter.

Intensitetsuttrycket ovan blir stort då nämnaren i den andra faktorn är noll, vilket inträffar då sinβ = 0 vilket ger β = πdsinθ/λ = mπ, m = 0, 1, 2, ... och dsinθ = mλ, vilket är gittervillkoret. I Fig. ser vi att intensiteten avtar med ökande vinkel. Ju fler medverkande spalter, desto smalare blir topparna. Man säger att halvvärdesbredden minskar med ökande antal spalter. I fig. 10, som visar samma situation som i fig. 9 men med N = 30, ses att topparna blivit smalare.

Fig. 10. Samma som fig. 9 men med N = 30.

Ett gitter används främst för att dela upp ljus av flera våglängder i ett spektrum men

10

även för att vinkla av en ljusstråle. Förr tillverkades gitter genom att en glasskiva ritsades med en fin diamantspets. I ritsorna blev glaset mindre genomskinligt och de oritsade delarna fungerade som spalter. Nu tillverkas enkla gitter genom pressning av en mall på samma sätt som en CD-skiva, och högkvalitativa gitter framställs som nämnts tidigare via holografi. Avståndet d anges antingen indirekt via antal linjer per mm (eller tum) eller direkt, t ex i nm. Uppgifter Du har vid laborationen tre gitter med olika gitterkonstanter, d. Titta på en glödlampa och ett lysrör genom de tre gittren för att se att de delar upp ljuset i ingående våglängder. Ser du någon skillnad mellan glödlampa och lysrör. Bör du hålla gittret nära eller långt bort från ögat? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Bestäm gitterkonstanten för ett av de tre gittren och jämför med fabrikantens uppgifter. Hur du skall göra bör du inse själv. Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Kan du se någon inverkan av spaltbredden a för något av gittren? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

3. Mikrovågor Du har till ditt förfogande en mikrovågsändare och mottagare vilka kopplas upp enligt figur 11:

Fig. 11. Uppkoppling av mikrovågsändare och mottagare.

Vi går inte in på hur sändare och mottagare fungerar - du får acceptera att den ena sänder ut mikrovågor och att den andra ger en likspänning som beror på den infallande intensiteten. Uppgifter

11

Mikrovågorna är polariserade. Hur kan du konstatera det? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ "Lek" litet. Undersök reflektion och transmission för olika material - papper, plast, glas, kött, metall. Hitta på något sätt att bestämma våglängden och beräkna därefter frekvensen. Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Försök att mycket kvalitativt påvisa ett diffraktionsfenomen hos mikrovågorna. Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Det följande är stationer som kommer att gås igenom växelvis alternativt demonstreras.

4. Michelsons interferometer I Michelsons interferometer betraktas de samverkande vågorna i ett teleskop men de kan även träffa en skärm på vilken man då ser ett interferensmönster. I praktiken är de två samverkande vågorna lätt divergenta och situationen är då liktydig med att ljuset som träffar skärmen kommer från två punktformiga ljuskällor på olika avstånd, varvid ett cirkelformat interferensmönster med ljusa och mörka cirklar uppstår på skärmen enligt fig. 12.

Fig. 12. Princip för Michelsons interferometer med divergent ljus. Om r1 - r2 (dvs. skillnaden i gångsträcka) är ett helt antal våglängder blir det konstruktiv interferens och således ljus på skärmen och om r1 - r2 är ett helt antal våglängder plus en halv våglängd blir det destruktiv interferens och mörkare. Om en av källorna rör sig rakt mot eller rakt bort från skärmen rör sig cirkelmönstret ut från eller in mot centrum.

12

Uppgifter Se på strålgången i interferometern framför dig - flytta den rörliga spegeln och se hur interferensmönstret ändras. Ljuskällan är en laser. Fanns det laser på Michelsons tid (1852 - 1931)? Om inte vad för ljuskälla hade han? Vilket är kravet på ljuset för att få interferens? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Den rörliga spegeln kan förskjutas via en mikrometerskruv som ger en förflyttning av 0,5 mm per varv. Hur många hela fransar motsvarar det då våglängden är 632,8 Nm? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

5. Polarisationsriktningen inverkan på reflektion av ljus - kvalitativ bestämning av Brewstervinkeln

Vissa material har egenskapen att absorptionen beror av ljusets polarisationsriktning. Fenomenet kallas dikroism. Om opolariserat ljus faller in mot ett (tillräckligt tjockt) dikroitiskt material blir ljuset som kommer ut linjärpolariserat. Ett polaroidfilter består av ett dikroitiskt material. Reflektion från en glasyta beror på infallsvinkel och aktuell polarisationsriktning. För infallande opolariserat ljus blir det reflekterade ljuset linjärpolariserat för en viss infallsvinkel. Denna vissa infallsvinkel kallas Brewstervinkeln, θB och för den gäller tanθB = n2/n1 Om ljuset faller in från luft är n1 = 1 vilket ger

θB = arctan(n) = tan-1 n,

där n är brytningsindex för glaset. Uppgifter Med ett polaroidfilter skall du ställa in polarisationsriktningen hos ljus som faller in mot en glasyta, i det ena fallet parallellt med infallsplanet och i det andra vinkelrätt mot infallsplanet. För båda fallen skall du variera infallsvinkeln och undersöka i vilket av fallen du erhåller bäst reflektion. Svar: _______________________________________________________________ Mät Brewstervinkeln och bestäm brytningsindex för glaset.

13

Svar: _______________________________________________________________

6. Spänningsoptik I material som är dubbelbrytande beror ljushastigheten både av ljusets polarisationsriktning och utbredningsriktning i materialet. Vissa material blir dubbelbrytande då de utsätts för belastning. Den dubbelbrytande effekten är då ett direkt mått på det lokala spänningstillståndet i materialet. Uppgifter Mellan två korsade polaroider finns en plastmodell av en balk, vilken kan ges en dragspänning, varvid plasten blir dubbelbrytande. Notera vad som händer. Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Varför är ljuset färgat? Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

7. Flytande kristall En kristall är ett fast ämne i vilket atomerna ligger ordande i ett kristallgitter. Beroende på gittrets utseende kan en kristall vara optiskt isotrop (dvs. ha samma egenskaper i alla riktningar) eller anisotrop, där den i det senare fallet kan vara dikroitisk, dubbelbrytande eller optiskt aktiv. Ett optiskt aktivt material har egenskapen att då linjärpolariserat ljus går fram i materialet så vrids polarisationsriktningen och vridningen blir proportionell mot gångsträckan och aktuellt materials specifika vridning α, som uttrycks i grad/meter eller radian/meter. För ett material med α = 5000° per meter i vilket linjärpolariserat ljus går 0,01 m, vrids polarisationsriktningen (5000·0,01)- = 50°. I en vätska är molekylerna normalt oordnade, vilket ger den samma egenskaper i alla riktningar, dvs. den är isotrop. Det finns också vätskor i vilka molekylerna rättar in sig själva och speciellt om vätskan är i ett tunt skikt, t ex mellan två skivor. Dessa vätskor kallas flytande kristaller. Molekylerna i en flytande kristall är polära, d.v.s. har en positiv och en negativ del av molekylen. Om en ordnad flytande kristall placeras i ett elektriskt växelfält förstörs ordningen och därmed förlorar den sina dubbelbrytande eller optiskt aktiva egenskaper. Detta utnyttjas i LCD-displayer (LCD = Liquid Crystal Display) enligt följande. Se fig. 13. Ett skikt av en flytande kristall som är optiskt aktiv har en tjocklek sådan att polarisationsriktningen hos infallande linjär polariserat ljus (alstrat av polaroiden A) vrids 90° vid passage av skiktet. Polaroiden B stoppar då det genom den flytande kristallen passerade ljuset. Om nu en växelspänning lägger över skiktet bryts ordningen - det blir isotropt och kan inte vrida polarisationsplanet, varvid det passerade ljuset inte stoppas av det andra polaroidfiltret, fig. 13 b. Anordningen är i princip en kondensator med den flytande kristallen som dielektrikum.

14

På ömse sidor finns elektriskt ledande, transparenta elektroder. Flytande kristall-displayer kan utnyttja antingen transmitterat eller reflekterat ljus.

Fig. 13. Princip för flytande kristalldisplay

Uppgifter Vid läsplatsen finns ett skikt flytande kristall med polaroider och anslutning av växelspänning till elektroderna. Undersök uppställningen. Mellan två polaroider finns ett skikt flytande kristall. Med växelspänning på skiktet släcks ljuset ut om polaroiderna är korsade. Vad händer om de är parallella? Undersök! Svar: _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

8. Hologram Vi hinner inte göra ett eget hologram vid denna laboration men skall se på några hologram och även en uppställning för att åstadkomma ett sådant.

a) b)

a) b)