Física Experimental 1: Práctica #6

Transcripción

1 Física Experimental 1: Práctica #6 Interferómetro de Mach-Zehnder Fecha de entrega: Martes 17 de marzo, 2015 (Enero-Mayo 2015) Dr. Raúl Hernández 1

2 Contenido Objetivos de la práctica 3 Material a utilizar 3 Desarrollo de la práctica 4 Página 2 de 5

3 Objetivos de la práctica En esta práctica se estudiará el interferómetro de Mach-Zehnder. Se busca que el estudiante sea capaz de montar el arreglo óptico e identificar los elementos ópticos adecuados para estudiar distintas propiedades del frente de onda y de la fuente emisora, como son la longitud de coherencia, la geometría del frente de onda, y el corrimiento de fase de Gouy. En particular, el estudiante logrará 1. Familiarizarse con el uso de divisores de haz de cubo, y la alineación de un interferómetro. 2. Medir experimentalmente la longitud de coherencia de la fuente a partir de mediciones de visibilidad de las franjas. 3. Familiarizarse con los detalles finos en la alineación y operación de un interferómetro de Mach-Zehnder. Material a utilizar 1. Laser HeNe (15 nm) y fotodetector Espejos Divisores de haz de tipo cubo Polarizadores lineales. 5. Medidor de potencia Retardador de λ/2. 7. Monturas para elementos ópticos. 8. Filtro de color verde. 9. Cámara fotográfica Página 3 de 5

4 Desarrollo de la práctica 1. Construyan el arreglo óptico mostrado en la figura 1. La sugerencia es alinear el laser usando dos espejos para tener un haz completamente horizontal. Deben asegurarse que el estado de polarización del haz es vertical, en caso de que el haz no esté polarizado introduzcan un polarizador para garantizar que la polarización es vertical. El objetivo en este paso es obtener franjas de interferencia utilizando el haz tal y como sale del laser, sin filtro espacial ni algún arreglo óptico para magnificar el haz. Puerto 1 B M A C D E Puerto 2 BS2 Fuente laser BS1 M Figure 1: Interferómetro de Mach-Zehnder 2. Una vez que han obtenido franjas deberán utilizar la cámara fotográfica para registrar el perfil de interferencia obtenido en ambos puertos de salida del interferómetro. 3. Ya con el experimento alineado, expliquen el comportamiento de las franjas de interferencia cuando presionan suavemente sobre alguna de las monturas ópticas y cuando colocan la flama de un encendedor debajo de los brazos del interferómetro, y a la salida de ambos puertos del arreglo. 4. Una vez hech oesto tendrán que desarmar el interferómetro y volverlo a alinear pero ahora utilizando la estrategia sugerida por el asistente. Esta vez deberán utilizar un haz colimado y magnificado en un factor de 5 ó 6, para esto utilizarán una combinación de lentes que deberán pedir al asistente. 5. Con este nuevo arreglo deben obtener franjas práticamente en toda la sección transversal del haz a la salida del interferómetro, es decir deben asegurarse que los dos haces son perfectamente coaxiales. 6. Hagan pequeños ajustes del segundo divisor de haz, y comenten cómo varían la orientación de las franjas y el espacio entre las mismas. 7. Introduzcan ahora un filtro verde en la posición señalada como A en la figura, midan la intensidad en ese mismo brazo con y sin filtro, y determinen el porcentaje de luz que es transmitida por el filtro. Con el filtro colocado en A observen el contraste entre franjas, registren una imagen del patrón de interferencia. Una vez hecho esto coloquen ahora el filtro en la posición marcada con B y observen el contraste en las franjas, comenten sobre las diferencias que observan en cada caso y registren imágenes en ambos casos. 8. Estudien ahora la dependencia del fenómeno de interferencia con respecto a la polarización. Para esto utilicen un retardador de media onda previamente montado en su montura rotatoria. Tengan mucho cuidado de no dañar este elemento óptico (este es el más caro de todos los que estarán utilizando en Página 4 de 5

5 este arreglo). Coloquen el retardador en la posición A perpendicular a la trayectoria del haz. Roten el retardador y observen que pasa con las franjas. Comenten sus observaciones. Con el retardador en la posición A orientado de tal manera que no vean franjas, coloquen un polarizador lineal en B ó D y encuentren una orientación tal que recuperen las franjas de interferencia. Discutan qué es lo que está pasando, utilicen un modelo matemático que les permita describir este comportamiento. 9. Consideren ahora el caso en el que retrasan uno de los haces introduciendo una mayor longitud de camino óptico. Utilicen una placa de vidrio con sus superficies paralelas en el brazo 2, como se muestra en la figura 1. Antes de introducir la placa deben alinear el interferómetro de tal modo que tienen aproximadamente una sola franja de interferencia en el patrón a la salida, esto implica que sus haces son prácticamente paralelos. Una vez logrado esto ajusten el divisor de haz de tal forma que obtengan cinco o seis franjas de interferencia en el patrón. Para cambiar la longitud de camino óptico introduzcan la placa de vidrio y vayan rotandola con respecto a un eje perpendicular a la dirección del haz. Tienen que ir monitoreando que le pasa a las franjas conforme rotan la placa. Expliquen sus observaciones al asistente, y en su reporte, y digan qué es lo que está pasando con las franjas conforme varían el ángulo en distintas direcciones. 10. Piensen en una forma en la que podrían obtener interferencia entre un frente de onda esférico y uno plano, y verifíquenlo experimentalmente. Registren imágenes del patrón de interferencia que obtienen en cada uno de los puertos de salida del interferómetro. Página 5 de 5