Óptica geométrica (Parte II) y polarización

Óptica geométrica (Parte II) y polarización

Introducción

¿Qué es la luz? El ser humano se ha hecho esta pregunta desde tiempos remotos, pero no hubo una respuesta hasta que se unificaron las teorías de la electricidad y magnetismo en una sola disciplina conocida como electromagnetismo, descrita por las ecuaciones de Maxwell. Estas muestran que un campo magnético variable en el tiempo actúa como fuente de campo eléctrico y que es un campo eléctrico variable en el tiempo actual como fuente de campo magnético.

Estos campos E y B pueden sostenerse entre sí, formando una onda electromagnética que se propaga en el espacio. La luz visible emitida por el filamento incandescente de una bombilla es un ejemplo de onda electromagnética; otros tipos de ondas electromagnéticas son producidos por fuentes como las estacione de radio y televisión osciladores de microondas para hornos y radares aparatos de rayos x, y núcleos radioactivos.

En las ondas de tiempo electromagnéticas senoidales, los campos E y B son funciones senoidales de tiempo y de la posición, con una frecuencia y una longitud de onda definidas. Los diferentes tipos de ondas electromagnéticas, luz visible, radio, rayos X, y otros, solamente difieren entre sí por su frecuencia y su longitud de onda.

Objetivos

• Verificar experimentalmente la dispersión de luz en un prisma
• Obtener experimentalmente los índices de refracción de prismas
• Verificar experimentalmente el fenómeno de reflexión interna total en diferentes formas de primas
• Observar experimentalmente la transmisión de un haz luminoso en las fibras
• ópticas.
•  Obtener experimentalmente el ángulo de aceptación en las fibras ópticas.
• Verificación experimental de la polarización de un haz de luz no polarizado.
• Medición experimental de irradiancia (intensidad luminosa) y su relación con la Ley

de Malus.

Material y equipo

• 1 Prisma equilátero de lucita.

• 1 Prisma rectangular (de Porro)

• 1 Prisma de semicírculo de lucita.

• 1 Disco graduado.

• 1 Riel.

• 1 Láser.

• 1 Fuente de luz blanca

• 1 Fotómetro con fibra óptica.

• 1 Soporte universal.

• 1 Luxómetro

• 2 Polarizadores

• 2 Portalentes para los polarizadores

• 1 Pantalla blanca

Resultados

1. Angulo critico en un prisma

Se determinó el ángulo critico de un prisma rectangular de Porro con una cara colineal al eje de 90° y perpendicular al haz de láser.

Para el cual se obtuvo una medición del ángulo formado por el rayo incidente y reflejado (). Donde: [pic 1][pic 2]

1.- si                                [pic 3][pic 4]

2.- el ángulo critico   [pic 5]

Donde

[pic 6]

[pic 7]

Lo que sucede para ángulos mayores al crítico es que el rayo no puede pasar al medio superior, sino que queda atrapado en el medio inferior y se refleja completamente en la superficie limítrofe esta situación es conocida como reflexión total interna.

La reflexión total interna en el prisma de 45°-45°-90° mejor conocido como prisma de porro; la luz que incide a valores mayores del crítico, entra y sale formando ángulos rectos con la hipotenusa y se refleja totalmente en cada una de las superficies más pequeñas. El cambio total de dirección de los rayos es de 180°.

1. Doble reflexión interna total

Se hace ingresar la luz por la cara hipotenusa de forma cercana a la incidencia normal. El haz emerge siempre paralelamente a la dirección de incidencia, en sentido contrario

[pic 8][pic 9]

1. Fibra óptica

[pic 10]

1. Fibra óptica

Transmisión de luz

• Sin conectar la fibra óptica al fotómetro, se hizo coincidir la luz del rayo láser a un extremo de la fibra

Se observo que la luz incidente en la entrada del cable de fibra óptica se transmitió hasta el otro extremo, aunque este tuviera curvaturas, además de que la luz era un poco más intensa en el extremo.

• Al formar una circunferencia de aproximadamente 10 cm de diámetro

La luz en esta condición del cable es la misma que la anterior, pero con una ligera diferencia en la intensidad, pues esta disminuyó un poco al ser observada.

• Se conectó la fibra óptica al fotómetro haciendo coincidir la luz del rayo láser con la terminal de la fibra

[pic 11]

• Con una circunferencia de 10 centímetros aproximadamente

[pic 12]

Existió una diferencia de 2 luxes entre  los valores obtenidos de la intensidad de la luz, registrados por el fotómetro, esto ya que el cable podría presentar algunos errores en su conjunto de fibras finas de vidrio

Cono de aceptación

Se conecto el cable de fibra óptica al fotómetro y se calculó posteriormente el ángulo máximo con que un rayo láser incide en el cable

Sentido horario

[pic 13]

Sentido antihorario

[pic 14]

No existió ninguna diferencia entre ambos valores, puesto que el ángulo máximo de incidencia en el cable es el mismo independientemente del sentido con el que se determine

Calculo de apertura numérica

[pic 15]

[pic 16]

Considerando (índice de refracción de la fibra) y  (índice de refracción del revestimiento -dieléctrico) se obtiene el valor teórico de la apertura numérica NA mediante:[pic 17][pic 18]

[pic 19]

[pic 20]

Si se saca el inverso del seno se obtiene el ángulo que es : 34.07°

Básicamente el NA es un número adimensional que caracteriza el rango de ángulos para los cuales el sistema acepta luz.  Experimentalmente se determinó que el sistema acepta luz hasta con ángulo de 29°, en contraparte con la determinación experimental que indica que el sistema puede aceptar hasta con un ángulo de 34°

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