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Facultad de Ciencias
Carrera de Física

Práctica 2
Reflexión y Transmisión de la Luz
Versión 26 agosto 2002, RMM

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ÍNDICE

Quizá sea conveniente cambiar la parte del inverso con el cuadrado de la distancia a esta práctica, en lugar de la num. 1

Para comentarios y sugerencias contactar a Roberto Machorro
 


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Introducción

El conocimiento de las propiedades ópticas de los materiales es de fundamental importancia. La función dieléctrica e caracteriza la interacción del material con el campo electromagnético. Tiene una estrecha relación con el estado electrónico del sólido y de allí la necesidad de medirlo. Es una medición macroscópica de un fenómeno microscópico.
  Es bien conocido que la e(l) es una función de la longitud de onda, fenómeno conocido como dispersión cromática. Además está la conexión de con el índice de refracción n, por medio de la relación e = n2. La velocidad de la luz también depende del color: n=c/v, esto se hace evidente de manera espectacular con los efectos de polarización.
  Una de las características para medir la funcíon dieléctrica es la reflectancia y transmitancia. Las ondas, al cambiar de medio, sufren, además de refracción, una separación de amplitudes. Esto es, la onda es parcialmente reflejada y parcialmente transmitida.

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Objetivos

1.Manejo de elementos básicos del laboratorio de óptica
2.Verificar la ley de Snel
3. (Mover en prox. año) Verificar la ley del inverso con el cuadrado de la distancia
4.Reflexión y transmisión de la luz. Caracterizacióon de materiales.
5.Observación y medición de ángulos especiales: crítico, Brewester, etc.

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Metodología: Semana No. 1

Banco óptico

Autocolimación

Técnica que permite alinear una componente y/o sistema óptico de manera sistemática. Consiste en hacer regresar un haz de luz por el mismo camino, al reflejarse parcialmente en la parte bajo alineación.

Medición de ángulos

El instrumento para medir ángulos se llama goniómetro. Consta de una platina con capacidad de giro, con escala graduada en su orilla. Para medir el ángulo definido por dos superficies, por ejemplo las de un prisma, alinear una de las caras por autocolimación, tomar nota de la posición angular de la cara. Girar hasta que el haz de luz ilumine la otra cara que define el ángulo a medir, alinear ésta última por autocolimación. La diferencia en lecturas de posición da el ángulo. Esta sección está ligada con la de Dispersión del índice de refracción.

Ley de Snell

Arreglo experimental

Montar un prisma semicilíndrico en un goniómetro. Note que hay dos haces reflejados, uno por esa cara plana y otro por la convexa; También hay un haz parcialmente transmitido. Se harán mediciones iluminando la cara plana desde el aire y desde el vidrio. La primera se llama reflexión externa y la segunda interna.

Mediciones

Se harán dos tablas, una para cada tipo de reflexión. Puede titular las columnas de la siguiente manera: Angulo de incidencia qi, Angulo de reflexión qr, Angulo de transmisión qt. Deje espacio para añadir otras dos columnas.

Reflexión externa

Alinear la parte plana desde el exterior del cilindro. Colocar el disco graduado de manera que coincida con el haz de luz la posición del cero. Gire 10 grados en cualquier dirección, esta es qi. Anote la posición donde está el haz reflejado qr y e l transmitido qt. Repita para incrementos de 10 grados, hasta 90 grados de incidencia.

Reflexión interna

Repita el procedimiento anterior, llenando una tabla similar, pero ahora enviando el haz de luz desde el aire, dejando que salga por el vidrio.

Reflexión con luz polarizada (1a parte)

Trate de repetir las curvas anteriores colocando en el haz de iluminación un polarizador de hoja. Primero con el eje de transmisión paralelo al plano de incidencia, después con perpen-dicular a él. Notará que hay un ángulo de incidencia al cual la luz no se refleja. Anote el valor de ese ángulo, tanto para reflexión interna como externa.

Análisis de datos

Haga una gráfica de la primera columna qi en abcisas, la tercera qt como ordenadas. Discuta su forma, Es lineal?. En la cuarta y quinta columna de la tabla anote la función seno aplicada a qI y qt. Construir una gráfica con estas dos últimas, seno(qI ) y seno(qt.). Resulta una gráfica lineal? En la sexta columna anote la razón entre la cuarta y quinta columnas. Es lineal?. Calcule el valor promedio de la sexta columna, con su desviación estándar. Reconoce este número?.
  En reflexión interna habrá encontrado que hay un ángulo a partir del cual la reflexión es 100%, total. Puede relacionar este con el índice de refracción del prisma?
  Pudo hacer la medición usando luz polarizada? En qué polarización se obtiene reflexión cero? Son iguales para interna que externa? Puede relacionar este ángulo con el índice de refracción del prisma?
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Metodología: Semana No. 2

Ley de Snell e Indice de Refracción

Arreglo experimental

Con el prisma caracterizado en la sección Banco Optico, observar y cuantificar la dispersión del índice de refracción del mismo. Para ello seguiremos varias etapas.

Calibración en color

Colocar el prisma (de preferencia un equilatero) sobre la platina del goniómetro. Iluminar con una lámpara de luz blanca, para hacer la autocolimación con una de las caras, Poner a cero el contador de ángulos. Coloque una lámpara de Hg a baja presión.
PRECAUCION: cubra la radiación de la lámpara que no vaya a la abertura de entrada al goniómetro, la luz ultravioleta que emite es perjudicial para el ojo.

Observe al espectro en la salida del prisma, proyectado en un papel blanco. Gire la platina con el prisma de manera que el espectro se abra más. Cuando llegue a un ángulo en que no se aprecie movimiento, use el telescopio para seguir viendo el cambio ante el giro del prisma, ahora en una sola línea espectral. Cuando llegue al ángulo a partir del cual, si lo incrementa, el espectro se regresa. Este es el ángulo de desviación mínima (ver el Hetch para detalles y hoja anexa para su aplicación).

Mediciones

Localice la posición de desviación mínima del prisma, pero ahora en la platina controlada por motor a pasos. Escriba un programa que permita hecer mediciones y giro de la platina a intervalos predeterminados. Calibrar el avance de la platina respecto al motor, esto es, la relación grados por paso del sistema. Trate de ubicar un punto de referencia, al menos un 50% más que el ancho del espectro visible. Tome nota de esta posición y, de ser posible, fije un tope físico en ese lugar, de manera que sea reproducible, con poco error. Ilumine con una lámpara de mercurio y realice un barrido del prisma, almacenado en archivo de disco los datos de Intensidad vs Posición. Con esto se tiene una calibración de longitud de onda vs posición. Haga barridos similares para la lámpara de sodio (Na), He y alguna otra que tenga en el laboratorio.

Espectro de luz blanca

Cambie ahora por una lámpara de luz blanca y repita el barrido. Cubra desde el visible, en infrarrojo y el ultravioleta. Almacene cada archivo por separado. Etiquete una serie de filtros color de material plástico y haga su barrido espectral, poniéndolos frente al colimador.

Espectro de diodos emisores de luz

Substituya la fuente de luz blanca por diodos emisores de luz, rojo, amarillo y verde. Obtenga el espectro de emisión para cada uno.
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Metodología: Semana No. 3

Reflexión en una interfaz

Antecedentes

Un fenómeno común a toda onda, al pasar de un medio a otro, es parcialmente reflejada y parcialmente transmitida. La fracción del campo electromagnético en cada caso puede estimarse por la diferencia en índices de refracción, son los coeficientes de Fresnel.
r = (ni- nt)/( ni +nt)
t = 2 ni/( ni +nt)
  Estos valores dependen de la longitud de onda, del ángulo de incidencia, de la polarización de la luz, de las características de la superficie y morfología del material.
  Partiendo del último arreglo experimental, el goniómetro controlado por la PC vía EXISA, ya calibrado en longitud de onda con las fuentes de luz a baja presión, se hará lo que sigue.

Arreglo experimental

Substituya el prisma por un soporte de placas de vidrio, de manera que la luz que le llegue se refleje hacia el telescopio, para un ángulo dado respecto al haz incidente.

Mediciones

Construya un programa para EXISA tal que permita la entrada de archivos de datos y espere una secuencia determinada de lecturas. Por ejemplo,
1. Colocar al ángulo de lectura la muestra, manualmente.
2. Alinearla hasta que todo el haz reflejado entre al telescopio.
3. Seleccione un filtro para la fuente de luz o use un LED.
4. Al presionar una tecla (Enter, L, etc.) lea el sensor de luz, guarde señal Ir en memoria.
5. Poner a 180 grados (colineales) el colimador y el telescopio, manualmente.
6. Al presionar una tecla (Enter, L, etc.) lea el sensor de luz, guarde señal It en memoria.
7. Quitar la muestra de su lugar.
8. Al presionar una tecla (Enter, L, etc.) lea el sensor de luz, guarde señal Ia en memoria.
9. Calcule la razón R = Ir/ Ia, T = It/ Ia, estas son la reflectancia y transmitancia, respectivamente. Lo puede guardar en disco o escribir manualmente.
Con este programa realice las mediciones de los materiales que desee. Cambie para diferentes colores del LED. Pruebe instalar el polarizador antes del telescopio.
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Optativa: Guía de ondas

Guías de onda (no obligatorio de entregar)

Cuando se confina la propagación de ondas a un canal o ducto, se está fabricando una guía de ondas. En la región visible se construyen estas guías haciendo uso de la reflexión total interna. Para ello debe introducirse la luz a una región donde el índice del medio en que se propaga sea mayor que el índice del medio que la rodea, como se ve en la figura inferior.

Arreglo experimental

Fije un portaobjetos de microscopio sobre su canto más largo. Ilumine por el canto corto con un láser de He-Ne. Observe las reflexiones internas, para diferentes ángulos de incidencia. Vea el efecto de la polarización de la luz sobre la intensidad de salida.

Mediciones

  Fase 1 Mida la intensidad del haz de entrada, inmediatamente antes de entrar a la placa de vidrio. Mida la intensidad de salida. Obtenga la trasmitancia de la placa. Ponga un polarizador con el eje de transmisión paralelo a la placa. Mida la transmisión. Repita con el polarizador perpendicular a la placa. Mida nuevamente.
  Fase 2 Mida la transmisión de la luz en una fibra óptica de 100 metros de longitud. Exprese todas las medidas, aún las de la fase 1, en decibeles.

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Reporte de la práctica

Poner mucho cuidado en la sección de discusión.
Remarque si se cumplieron o no los objetivos de la práctica y la razón de su respuesta.

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Plan Semanal

Semana 1
Sesión 1.- Videos sobre la práctica.
Sesión 2.- Trabajar con el banco óptico.
  Banco óptico lineal (perfil triangular), bases, lentes, espejos
  Lámpara de descarga a baja presión de Hg, Láser de He-Ne

Semana 2
Sesión 1.- Instalar el arreglo de goniómetro, para ratificar ley de Snell.
  Goniómetros de cajas de madera.
Sesión 2.- Observar el ángulo de desviación mínima.
  Goniómetro Ealing.
  Lámpara de descarga a baja presión de Hg, Láser de He-Ne

Semana 3
Sesión 1.- Instalar el arreglo de goniómetro, para medir R y T.
  Goniómetro del CCMC.
Sesión 2.- Obtener (n,k) de varias muestras. Discusión general.
  Espectrofotómetro del CCMC.