Un Tavolo Ottico DIY

Introduzione

Il tavolo ottico è uno strumento indispensabile per la realizzazione di una qualsiasi esperienza di ottica.
Si tratta in pratica una piattaforma utilizzata per supportare sistemi per esperimenti di ottica. Nei sistemi ottici, l’allineamento di ogni componente deve essere estremamente accurato, si pensi ad esempio ad un interferometro. Anche piccole vibrazioni o deformazioni della piattaforma sulla quale sono sistemati i vari elementi, possono causare il fallimento di un esperimento.
Si richiede quindi un tavolo rigido che non si muova né si fletta, ed abbia la possibilità di smorzare le vibrazioni. La superficie del tavolo deve essere piatta, per consentire un contatto ottimale con i supporti dei vari elementi e facilitare il montaggio del sistema ottico.

Naturalmente esistono tantissime soluzioni commerciali, però sono tutte, invariabilmente, piuttosto costose. Il tavolo ottico può però essere anche realizzato in casa (o meglio in officina) con poco sforzo.

Realizzazione

Noi siamo partititi da una lastra di ferro dalle dimensioni 50cmx50cm, il ferro è abbastanza economico ed è sufficientemente pesante per ottenere una piattaforma piuttosto stabile. L’alluminio va altrettanto bene però è sicuramente più costoso, inoltre il ferro può essere utilizzato anche con i supporti magnetici.
La lastra va poi forata in modo da realizzare i punti di fissaggio per i supporti ottici : abbiamo realizzato una matrice di fori con nove righe per nove colonne per un totale di 81 fori, filettati M8 (in alternativa si possono fare M6).
La lastra, accuratamente pulita e verniciata di nero, va poi collocata su di un tavolo robusto e solido e appoggiata su di un materiale plastico schiumoso (tipo gommapiuma) in modo che vengano assorbite le vibrazione : il tavolo ottico è pronto !

Equipaggiamenti

Insieme al tavolo ottico abbiamo un insieme di apparecchiature “basiche” necessarie per portare a termine le nostre esperienze “amatoriali” di ottica.
La sorgente luminosa principale è un laser He-Ne con emissione a 632nm, abbiamo poi una serie di laser a semiconduttore ed una serie di LED di vari colori pilotati mediante un driver a corrente costante in modo che l’intensità luminosa rimanga costante nel tempo. Le immagini sotto mostrano queste sorgenti luminose.

Il set di attrezzature comprende anche filtri polarizzatori, holder, micrometri ed una tavola rotante ricavata da progetti di robotica.

E’ poi necessario un fotometro per la misura della radiazione luminosa, questo dispositivo è già stato descritto nel post : PSoC based Photometer. Questo fotometro è basato su di un microcontrollore PSoC con un amplificatore a trans-impedenza, il sensore è un fotodiodo. Al fine di migliorare la selettività del sensore alla lunghezza d’onda della radiazione emessa dal laser He-Ne vi è la possibilità di utilizzare un filtro interferenziale centrato a 632nm : in questo modo si elimina totalmente la radiazione ambientale.

Un altro apparecchio molto utile, da utilizzare insieme con una sorgente luminosa e con un sensore, è un fotometro ad assorbimento che serve per misurare la radiazione luminosa che viene assorbita da una soluzione liquida contenuta in una provetta : in questo modo è possibile valutare quantitativamente il contenuto del soluto in base ad una calibrazione precedente.

Determinazione dell’Angolo di Brewster

La prima esperienza fatta sul nostro tavolo ottico è stata la determinazione dell’angolo di Brewster per una superfice ottica in vetro. Per questo esperimento è necessario il laser He-Ne, il filtro polarizzatore, la tavola rotante con indicazione graduata ed il fotometro con il filtro interferenziale a 632nm.

L’angolo di Brewster (anche conosciuto come angolo di polarizzazione) si riferisce a un fenomeno ottico che prende il nome dal fisicoscozzese Sir David Brewster (1781–1868). L’angolo di Brewster è un particolare angolo θ_B tale per cui se un’onda incide su una superficie proprio a θ_B, si trova che l’onda riflessa è polarizzata perpendicolarmente al piano di propagazione.

Quando la luce passa da un mezzo a un altro mezzo che ha indice di rifrazione diverso dal primo, in genere parte dell’onda viene riflessa dall’interfaccia esistente tra i mezzi. A un particolare angolo di incidenza, però, la luce con una particolare polarizzazione non può essere riflessa. Questo angolo di incidenza è detto “angolo di Brewster”, θ_B. La polarizzazione che non può essere riflessa a questo angolo è quella per cui il campo elettrico dell’onda luminosa giace nello stesso piano del raggio incidente e della normale alla superficie (si parla di onda polarizzata p, in cui “p” sta per “parallelo”, o TM, transverse magnetic). Con riferimento all’immagine sopra, il piano di propagazione è quello della figura.

Il setup dell’esperimento è mostrato nella immagine sotto : la luce laser è polarizzata dal filtro polarizzatore, viene riflessa dalla superfice di un prisma in vetro fissato sulla tavola rotante. L’intensità del fascio riflesso viene misurata dal fotometro. Le misurazioni sono fatte al variare dell’angolo di riflessione.

Il grafico sotto mostra i risultati della misurazione. Si vede come l’intensità del fascio riflesso vada a zero a circa 55°, per poi risalire velocemente. Questo risultato, tenendo in considerazione le tolleranze geometriche di posizionamento e le incertezze nella lettura dell’angolo di riflessione, risulta in buon accordo con i dati reali.

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