Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 Ferienkurs Experimentalphysik 3 Wellengleichung und Polarisation Qi Li, Bernhard Loitsch, Hannes Schmeiduch Heinrich Grabmayr Montag, 24.03.2014 Inhaltsverzeichnis 1 Licht als elektromagnetische Welle 2 1.1 Maxwell-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Wellenfunktion und Dispersionsrelation 1.3 Energietransport 1.4 Wellenpakete 2 . . . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Polarisation 6 3 Verhalten an Grenzächen - Brechung und Reexion 7 3.1 Fermat'sches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Snellius'sches Brechungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3 Fresnel-Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.4 Reexions- und Transmissionskoezient . . . . . . . . . . . . . . 10 3.5 Brewsterwinkel und Totalreektion . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4 Verhalten im Materie 4.1 Absorption 8 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Wellenausbreitung in anisotropen Medien 1 13 14 Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 1 Licht als elektromagnetische Welle 1.1 Maxwell-Gleichungen Eine elektromagnetische Welle in einem Medium lässt sich mithilfe der MaxwellGleichungen beschreiben. Sie lauten ∇·D = % ∇·B = ∇×H 0 Gauÿ'sches Gesetz der Elektrostatik (1) Gauÿ'sches Gesetz der Magnetostatik (2) = ∂t D + j ∇ × E = −∂t B Ampère'sches Gesetz Faraday'sches Gesetz (3) (4) µ0 = 1, 2566 · 10−6 AN2 die magnetische Feldkonstante, die 3 dielektrische Leitfähigkeit und 0 = 8.854 · 10−12 NCm2 die dielektrische Dabei ist Feldkonstante im Vakuum, sowie die dielektrische Verschiebung D = ε0 E + P = (1 + χ)ε0 E = εε0 E (5) P = ε0 χE. (6) mit der Polarisation Mit der Magnetisierung M kommt man von der magnetischen Flussdichte zur magnetischen Feldstärke H= 1 B−M µ (7) Die Maxwell-Gleichungen können noch leicht vereinfacht werden durch folgende in der Optik übliche Annahmen: • In fast allen Anwendungsgebieten der Optik nehmen wir nichtmagnetische Medien an, also gilt für die relative Permeabilität: • µ=1 Für den Fall nichtleitender Materialien verschwinden Ladungsdichte Stromdichte ρ und j: ρ = 0, j = 0 Um zur Wellengleichung von E bzw. B zu gelangen, bildet man die Rotation E: (∇×) von Gleichung (3) bzw. (4), hier z.B für ∂B ) ∂t ∂ ∂2E = − (∇ × B) = −µ0 0 2 ∂t ∂t ∇ × (∇ × E) = ∇(∇ · E) − ∇2 E = ∇ × (− Beachtet man ∇ · E = 0, so erhalten wir also als ∆E = µ0 0 ∂2E , ∂t2 Wellengleichung: ∆B = µ0 0 2 (8) ∂2B ∂t2 (9) Wellengleichung und Polarisation • Die 05.03.2012 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hängt mit der Permeabilität und der dielektrischen Leitfähigkeit zusammen: c0 = √ • 1 m = 2, 998 · 108 µ0 0 s 1 Der Einuss des Mediums wird durch den Faktor √ n= √ wird als Brechungsindex des Mediums = 1 n beschrieben; bezeichnet. 1.2 Wellenfunktion und Dispersionsrelation Als einfachste Lösung für die Wellengleichung erhalten wir eine # k die sich in Richtung des Wellenvektors ebene Welle, ausbreitet: # E( # r , t) = E0 cos( k # r − ωt + ϕ) (10) oder in komplexer Exponentialschreibweise # Ec ( # r , t) = E0,c exp(i( k # r − ωt + ϕ) (11) Die komplexe Schreibweise erleichtert das Rechnen, allerdings sollte als Ergebnis einer Rechnung immer nur der Realteil der Wellenfunktion gelten. Setzen wir die Wellenfunktion in Gl. (6) ein, so bekommen wir einen linearen Zusammenhang zwischen Wellenvektor Dispersionsrelation: Wellenlänge k und Wellenfrequenz ω, die optische ω 2π = c0 λ (12) 2π 2πc0 = k nω (13) k =n· mit der # λ λ= Aus den Maxwell-Gleichungen folgt auÿerdem • E• und B-Feld stehen senkrecht zueinander und zum Wellenvektor die Amplituden der E- und B= B-Felder c0 1 |B0 | = √ |B0 | n 0 µ0 3 k. sind miteinander verknüpft: 1 k # ( e k × E) = ( # e k × E) ω c0 |E0 | = # (14) (15) Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 1.3 Energietransport Bei der Ausbreitung transportiert die elektromagnetische Welle Energie entlang des Wellenvektors. Die Energiestromdichte (Energie pro Zeit pro Fläche wird durch den Poynting-Vektor # ⊥k) S beschrieben. 1 (E × B) = 0 c20 (E × B) µ0 = c0 0 E02 cos2 (kz − ωt) # ez | {z } S= (16) Realteil einer ebenen Welle in z-Richtung eingesetzt Durch die zeitliche Mittelung von S über eine Schwingungsperiode der Feldes I erhalten wir die Strahlungsuÿdichte oder Lichtintensität I = h|S|i = 0 c0 h|E|2 i I= 1 0 c0 E02 2 (17) (18) Licht überträgt bei Bestrahlung neben Energie auch einen Impuls auf eine Fläche. Der daraus resultierende Strahlungsdrucklässt tensität berechnen. PS = I c0 sich aus der Lichtin- (19) Bei Reektion wirkt aufgrund der Impulserhaltung der doppelte Strahlungsdruck auf die betreende Fläche. 4 Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 1.4 Wellenpakete Eine wichtige Eigenschaft der Wellengleichung Gl. (6) ist, dass wegen des Superpositionsprinzip eine Kombination von Lösungen die Wellengleichung ebenfalls löst. D.h. wenn E1 , E2 beide Gl. (6) erfüllen, erfüllt E1 + E2 ebenfalls die Glei- chung. Damit können Wellenpakete mit deniertem zeitlichen und räumlichen Verlauf bzw. unterschiedliche Wellenformen aus vielen einfachen Wellenfunktionen gebastelt werden. Mathematisch wird das Wechseln der Feldverläufe (sei es in Abhängigkeit von der Zeit oder Frequenz o.a.) per Fourier-Transformation gemacht (zur Einfachheit bleiben wir am Ursprung 1 E(t) = √ 2π # r = 0): Z∞ E(ω)exp(−iωt)dω (20) −∞ und zurück 1 E(ω) = √ 2π Z∞ E(t)exp(iωt)dt (21) −∞ Bei Wellenpaketen, z.B. einer ebenen Welle mit modulierter Amplitude, können die Geschwindigkeit, mit der die eigentliche Welle sich ausbreitet, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit ihrer Hüllkurve berechnet werden. • Phasengeschwindigkeit • Gruppengeschwindigkeit vph = d # r (t) dt vgr = 5 = dω ω0 k0 dk ω0 = = c0 n c0 n − k·c0 dn n2 dk Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 2 Polarisation Die Tatsache, dass die EM-Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen, legt eine Ebene fest, in der z.B. das E-Feld schwingen kann. Nehmen wir an, dass der Wellenvektor in die z-Richtung zeigt, so können wir eine beliebige ebene Welle schreiben als: Ex0 cos(kz − ωt) E = Ey0 cos(kz − ωt + ε) 0 mit ε (22) als Phasenunterschied zwischen den x und y-Komponenten. Man kann 3 Polarisationsarten unterscheiden: • linear polarisiert: ε=0 oder ε = ±n · 2π , E0x und Eoy schwingen in Phase und die Richtung des E-Feldes ist durch einen konstanten Vektor gegeben. E0x E = E0y cos(kz − ωt) = E0 cos(kz − ωt) 0 • zirkular polarisiert: die Spitze des (23) ε = π2 + mπ, m = 0, 1, 2..., |E0x | = |E0y | = E0 , Feldvektors E beschreibt eine Kreisbahn in der xy-Ebene: cos(kz − ωt) E = E0 ±sin(kz − ωt) (24) 0 6 Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 In Zusammenhang mit dem Strahlungsdruck vermittelt eine zirkular polarisierte Welle einer Fläche einen Drehimpulsübertrag. elliptisch polarisiert: ε 6= • π 2 + mπ , |E0x | beschreibt eine Ellipse in der xy-Ebene. • Das natürliche Licht ist gröÿtenteils = 6 |E0y |, Spitze des Feldvektors unpolarisiert, d.h. die Beziehung der beiden transversalen Komponenten des E-Feldes zueinander ist nicht genau deniert aber die Komponenten sind im Mittel gleich groÿ. • Die Polarisation von Lichtstrahlen kann man beispielsweise mit Polarisatoren verändern, die nur den Anteil der Strahlung durchlassen, d k zur Polarisatorrichtung steht. 3 Verhalten an Grenzächen - Brechung und Reexion Grundlage zur Beschreibung von Reexion und Brechung von EM-Wellen an Grenzächen (Übergang zwischen Medien unterschiedlicher optischer Eigenschaften) sind wiederum die Maxwell-Gleichungen. Aus diesen gehen Randbedingungen hervor, die Wellen an Grenzächen erfüllen müssen. Zuerstmal Begrie: • Die Grenzäche trennt die unterschiedlichen Medien. Sie ragt in den folgenden Zeichnungen meist aus der Bildebene heraus. • Die Einfallsebene #bezeichnet # # die Ebene ⊥ zur Grenzäche, worauf sich die Wellenvektoren k e, k r , k t (einfallend, reektiert, transmittiert) ben- den. Im Folgenden steht sie meist parallel zur Bildebene. Für Grenzächen von zwei isotropen, isolierenden und nicht magnetischen Medien gilt: (1) (2) D⊥ = D⊥ (1) Eq (1) B⊥ (1) Hq (2) = Eq = (2) B⊥ (2) = Hq (25) • Die Komponenten D = 0 E der dielektrischen Verschiebung normal zur Grenzäche sind stetig. (26) • Die Tangentialkomponenten vom E-Feld sind stetig. (27) • Die Normalkomponenten vom B-Feld sind stetig. (28) • Die Tangentialkomponenten von der magnetischen Feldstärke 7 H= 1 µµ0 B sind stetig. Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 Erste Folgen der Randbedingungen für die Wellen sind: • Frequenz des Lichts ändert sich nicht an der Grenzäche: ωe = ωr = ωt • (29) θe = θr Enfallswinkel ist gleich Reexionswinkel: 3.1 Fermat'sches Prinzip Unter dem Fermat'schen Prinzip versteht man: Licht nimmt in einem inhomogenen Medium einen extremalen Weg von einem Punkt zu einem Anderen. Der extremale Weg ist z.B. der Weg, den das Licht zeitlich an schnellsten durchlaufen kann. t(r) = X ti = X ri ci = dt ! =0 dr 1 X Wi c0 (30) (31) Da die Lichtgeschwindigkeit im Medien von deren Brechungsindizes abhängt, führt man den optischen Weg ein: Wi = ni · ri ni soll Brechungsindex im Medium i sein, Strecke. 8 ri (32) die im Medium i zurückgelegte Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 3.2 Snellius'sches Brechungsgesetz Aus der Gl. (22) kann man nun eine Beziehung zwischen den Einfalls- und Transmissionswinkeln aufstellen. ke sin θe = kt sin θt Mithilfe von ke /kt = ne /nt erhält man das Snellius'sches Brechungsgesetz: sin θe ne = sin θt nt (33) 3.3 Fresnel-Formeln Neben Aussagen zur Richtung der einzelnen Wellen an der Grenzäche kann mit der Randbedingungen auch die Intensitätenverhältnisse bestimmt werden. Anfangen kann man mit der Betrachtung eines senkrechten Lichteinfalls auf die Grenzäche. Dabei kann man mithilfe von Maxwell-Gleichungen und Randbedingungen für die elektrische Feldstärke einen Reexionskoezienten r und Transmissionskoezienten t festlegen: E0r = ne − nt E0e = rE0e ne + nt und E = tE0e Wenn wir nun nicht senkrechten Lichteinfall betrachten, können wir zwei Fälle unterscheiden, 1. dass das E-Feld k zur Grenzäche und hat also Komponenten sowohl k ⊥ als auch 9 zur Einfallsebene steht (B-Feld ⊥ zur Grenzäche, Wellengleichung und Polarisation 2. dass das B-Feld k 05.03.2012 zur Grenzäche und hat also Komponenten sowohl k ⊥ als auch Wenn man nun noch beachtet, dass zur Einfallsebene steht (E-Feld ⊥ # k ⊥E⊥H Rechnen die verschiedenen Koezienten, i.e. die (⊥ und k zur Grenzäche. gilt, kann man durch weiteres Fresnel-Formeln bestimmen beziehen sich auf die Einfallsebene!): E0r sin(θe − θt ) =− E0e E⊥Einfallsebene sin(θe + θt ) E0t 2 sin θt cos θe t⊥ = = E0e E⊥ sin(θe + θt ) tan(θe − θt ) E0r = rq = E0e Eq tan(θe + θt ) E0t 2 sin θt cos θe tq = = E0e Eq sin(θe + θt ) cos(θe − θt ) r⊥ = (34) (35) (36) (37) 3.4 Reexions- und Transmissionskoezient Ist man nun an der reektierten oder transmittierten Leistung interessiert, d.h. am Reexionsgrad R oder Transmissionsgrad T, so kann man die auf die Grenzäche einfallende (We ), reektierte (Wr ) und transmitterte Leistung (Wt ) betrachten, wobei gilt: We = Wr + Wt Rq = |rq |2 und R⊥ = |r⊥ |2 (38) Tq = 1 − |rq |2 und T⊥ = 1 − |r⊥ |2 (39) Bei senkrechtem Lichteinfall kann man den Reexionsgrad auch durch die Brechungsindizes ausrechnen: 10 Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 Ir R= = Ie ne − nt ne + nt 2 (40) 3.5 Brewsterwinkel und Totalreektion Wenn man sich nun die Reexions- und Transmissionskoezienten anschaut, dann merkt man, dass es Winkel- bzw. Brechungszahlkombinationen gibt, wo kein Licht reektiert/transmittiert wird. So wird der Reexionskoezient bei einem E-Feld q Null, wenn Brewsterwinkel π 2 . So wird der θt + θe = θB deniert: nt tan θB = ne oder θb = arctan nt ne (41) Anschaulich erklärt, wenn wir annehmen, dass das reektierte Licht durch oszillierende Dipole im Medium 2 erzeugt wird, die ein Dipolmoment parallel # Et zum tranmittierten Feld tierten Wellenvektor Richtung von # k r, kt besitzen, das in der Einfallsebene ⊥ zum transmit- liegt. Längs der Oszillationsrichtung der Dipole, also in erfolgt keine Abstrahlung. Fällt Licht aus dem optisch dichteren Medium auf die Grenzäche (ne ndet man einen Winkel und eine π 2 , ab wo der Transmissionswinkel der einfallenden Welle stattndet. θT R < Totalreektion sin θT R = nt ne oder θT R = arcsin 11 nt ne > nt ), so θt > π2 ist (42) Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 4 Verhalten im Materie Die Ausbreitung von Licht wird vom Brechungsindex n(ω) = √ 1 (ω) des durch- leuchteten Mediums bestimmt. Ein einfaches Modell, um die Frequenzabhängigkeit der el. Leitfähigkeit herzuleiten ist, sich die Elektronen mit einer Feder an die Atome/Moleküle gebunden vorzustellen. Zusammen mit dem E-Feld als antreibende Kraft und der Wechselwirkung der Elektronen mit den Atome/Moleküle als Dämpfung erhalten wir einen gedämpften, getriebenen Oszillator: −e E0 exp(iωt) me −e 1 x(t) = E(t) me (ω02 − ω 2 ) + iγω ẍ + γ ẋ + ω02 x = (43) (44) Bei einer Teilchendichte N bekommen wir mit der Polarisation P (t) = −ex(t)N = (ε(ω) − 1)ε0 E(t) die frequenzabhängige dielektrische Funktion: 12 (45) Wellengleichung und Polarisation ε(ω) = 1 + 05.03.2012 e2 1 ε0 me 2 N (ω0 − ω 2 ) + iγω (46) Bei verdünnten Medien (z.B. Gase) kann man (näherungsweise) die dielektrischen Funktion in einen komplexen Brechungsindex nc = nR + inI um- wandeln: nR = 1 + nI = e2 N ω02 − ω 2 20 me (ω02 − ω 2 )2 + γ 2 ω 2 e2 N −γω 20 me (ω02 − ω 2 )2 + γ 2 ω 2 (47) (48) Weit weg von der Resonanzfrequenz kann n angenährt werden, weit oberhalb (z.B. für Röntgenstrahlung) erhalten wir durch Näherung: 2 ωpl e2 N 1 = 1 − 2ε0 me ω 2 2ω 2 q 2N ωpl = εe0 m e nR ' 1 − mit der sog. Plasmafrequenz Bei Metallen, wo die Elektronen als frei betrachtet werden können (→ keine Dämpfung → ω0 = 0), erhält man näherungsweise s n' 1− 2 ωpl ω2 4.1 Absorption Die Auswirkung des komplexen Brechungsindex erkennt man am besten an der Amplitude einer ebenen Welle, die durch ein Medium mit komplexem Bre- 13 Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 chungsindex geht (oBdA in der z-Richtung). E(z, t) = E0 exp(iωt − ikz) ωnR ωnI = E0 exp iωt − i z+ z c ωnc ωnR I z exp iωt − i z = E0 exp c | {z c } (49) Exponentiell abfallende Amplitude Der Imaginärteil des Brechungsindex bewirkt eine Absorption des Lichtes. Für die Ortsabhängigkeit der Lichtintensität berechnet man: I(z) = I(0) exp zusammen mit dem 2ωnI z c = I(0) exp(−az) (50) Extinktionskoezienten: a= e2 N γω 2 20 me c (ω02 − ω 2 )2 + γ 2 ω 2 (51) 5 Wellenausbreitung in anisotropen Medien In einem anisotropen Medium hängt die dielektrische Funktion und somit auf der Brechungsindex nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Ausrichtung des Strahls zum Körper ab. Eine Anwendung ist die Polarisation mithilfe von anisotropen Materialen (z.B. Kalkspat), wo man eine Doppelbrechung beobachten kann. Ursache kann eine bestimmte, gerichtete Ordnung im Kristall sein. Man beobachtet dort neben einen ordentlichen Strahl auch einen auÿerordentlichen Strahl, der sich vom ordentlichen Strahl im Brechungsindex und auch der Ausbreitungsrichtung im Kristall unterscheidet. Die Ausbreitungsrichtung des auÿerordentlichen Strahles wird bestimmt durch die sog. optische Achse. Eine Anwendung der Doppelbrechung sind die λ/2- und λ/4-Plättchen, die linear polarisiertes Licht in zirkular(elliptisch) polarisiertes Licht umwandeln können und umgekehrt. Wenn oBdA. der Strahl in der z-Richtung ins Plättchen einfällt, unterscheiden sich die Brechungsindizes in der x- und y-Richtung. Aufgrund der gleichbleibenden Frequenz für beide Strahlkomponenten stellt sich wegen der Wegunterschiede ∆l eine Phasenverschiebung 14 ∆φ ein, Wellengleichung und Polarisation 05.03.2012 ∆l = d(n0 − n0a ) ∆φ = k0 d − k0a d = 2πd (n0 − n0a ) λ (52) (53) π 2 , so dass einfallends linear polarisiertes Licht nach dem Plättchen zirkular polarisiert ist. Bei λ/2-Plättchen Im Falle von λ/4-Plättchen mit Dicke d gerade dreht man gerade den Drehsinn einer zirkular(elliptisch) polarisierten Welle (← Polarisationsdreher) 15