POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 5 Interferencyjne pomiary współczynnika załamania. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak



Podobne dokumenty

POMIARY OPTYCZNE Współczynnik załamania #2. Damian Siedlecki

Wykład FIZYKA II. 8. Optyka falowa

OPTYKA INSTRUMENTALNA

Zjawisko interferencji fal

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Zjawisko interferencji fal

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Fizyka elektryczność i magnetyzm

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Zjawisko interferencji fal

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

Podstawy fizyki wykład 8

Własności światła laserowego

Temat: Pomiar współczynnika załamania światła w gazie za pomocą interferometru Michelsona

Prawa optyki geometrycznej

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 3. Pomiar drgao przy pomocy interferometru Michelsona

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Na ostatnim wykładzie

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

INSTRUKCJA. Analiza gazów analizatorami Fizycznymi. Interferometr. Opracował: dr inż. Franciszek Wolańczyk

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

POMIARY OPTYCZNE Pomiary kątów (klinów, pryzmatów) Damian Siedlecki

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Mikroskop teoria Abbego

Interferencja. Dyfrakcja.

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

WŁASNOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH: INTERFERENCJA, DYFRAKCJA, POLARYZACJA

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 02/08. PIOTR KURZYNOWSKI, Wrocław, PL JAN MASAJADA, Nadolice Wielkie, PL

Interferencja jest to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla

interferencja, dyspersja, dyfrakcja, okna transmisyjne Interferencja

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

MGR 10. Ćw. 1. Badanie polaryzacji światła 2. Wyznaczanie długości fal świetlnych 3. Pokaz zmiany długości fali świetlnej przy użyciu lasera.

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Interferencyjny pomiar krzywizny soczewki przy pomocy pierścieni Newtona

Wykład 16: Optyka falowa

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

9. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

Wyznaczanie współczynnika załamania światła

Wykład 16: Optyka falowa

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA METODĄ SZPILEK I ZA POMOCĄ MIKROSKOPU

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

Interferencja i dyfrakcja

Interferencja i dyfrakcja

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

GWIEZDNE INTERFEROMETRY MICHELSONA I ANDERSONA

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

Przedmiot: Fizyka. Światło jako fala. 2016/17, sem. letni 1

O3. BADANIE WIDM ATOMOWYCH

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

POMIARY OPTYCZNE Współczynnik załamania #1. Damian Siedlecki

2.6.3 Interferencja fal.

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

Falowa natura promieniowania elektromagnetycznego.

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Politechnika Warszawska Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Zakład Optoelektroniki

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

przenikalność atmosfery ziemskiej typ promieniowania długość fali [m] ciało o skali zbliżonej do długości fal częstotliwość [Hz]

13. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

( Wersja A ) WYZNACZANIE PROMIENI KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA.

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Transkrypt:

POMIARY OPTYCZNE 1 Wykład 5 Interferencyjne pomiary współczynnika załamania. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej Pokój 18/11 bud. A-1 http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/

PRZYPOMNIENIE INTERFERENCJA Nakładanie się fal nazywamy ogólnie superpozycją. Nakładanie się spójne (koherentne) fal interferencja. Źródła spójne drgające zgodnie w fazie albo takie, dla których fazy wiążą się ze sobą w określony sposób są skorelowane (przesunięcia fazowe między wiązkami nie powinny podlegać zbyt szybkim zmianom). Interferencja polega na nałożeniu się dwóch fal z ich fazami i amplitudami koherentne (spójne) - w odróżnieniu od zwykłego nałożenia się natężeń tych fal w przypadku źródeł niespójnych.

INTERFERENCJA Światło jako fala elektromagnetyczna ma częstotliwość tak dużą, że każdy detektor rejestruje uśrednioną w czasie (< >) wartość natężenia I, proporcjonalną do modułu wektora Poyntinga S: I S E 2 EE * oznacza liczbę zespoloną sprzężoną Jeśli nakładające się fale nie są w żaden sposób zgodne w fazie, średnia czasowa traci informację o fazach tych fal.

INTERFERENCJA Każde rzeczywiste źródło światła emituje foton = kwant promieniowania elektromagnetycznego, którego odpowiednikiem falowym jest paczka falowa = ograniczony w czasie i przestrzeni zbiór fal sinusoidalnych. Żeby takie paczki mogły się nałożyć (interferować) muszą na siebie trafić! L

INTERFERENCJA Istnieje pewna charakterystyczna dla danego źródła promieniowania różnica dróg L 0 pomiędzy dwiema interferującymi paczkami falowymi, żeby mogły one jeszcze ze sobą interferować. Nazywamy ją długością koherencji (albo drogą koherencji). Wielkość ta odpowiada z kolei różnicy czasu między paczkami czasowi koherencji t 0 związanemu z drogą wzorem: t L 0 0 c Jeżeli źródło światła promieniuje fale elektromagnetyczne w pewnym zakresie częstości f, zwanym szerokością widma, to czas koherencji t 0 tego źródła jest związany z tą szerokością wzorem: 2 ft 0 1

INTERFERENCJA Jednym z warunków koniecznych spójności źródła fali jest więc jego wysoka monochromatyczność (czyli jak najmniejsza szerokość f albo inaczej: jak najdokładniej określona długość fali wysyłanego przezeń promieniowania). Praktycznie spójność obu źródeł realizuje się poprzez podział fali z jednego źródła (np. 2 otwory w doświadczeniu Younga lub płytka/kostka światłodzieląca w interferometrze Michelsona). Należy jednak ciągle zadbać o to, aby różnica dróg między tak podzielonymi składowymi nie przekraczała drogi koherencji!

INTERFERENCJA Interferencja fal z dwóch źródeł punktowych: Rozważmy dwa jednakowe punktowe źródła fal EM (sinusoidalnych), odległe od siebie o d. Wypadkowe pole EM obserwujemy na ekranie, dostatecznie oddalonym od obu źródeł (tzn. odległość między źródłami jest dużo mniejsza od odległości źródła-ekran). E P E Pole w punkcie P: t kr E t kr 1 E2 E0 cos 1 0 cos 2 E P Po przekształceniu: k r r cos t kr 2E0 cos 2 1 I0 E 0 2 gdzie: r r1 r2 2 r1 r2 Natężenie I fali wypadkowej jest proporcjonalne do średniej czasowej modułu kwadratu amplitudy (inaczej: iloczynu fali i fali sprzężonej), więc ostatecznie: I k r r 2I 1 kr 4I r 2 0 cos 2 1 0 cos 2 1

I Jeśli spełniony jest warunek: INTERFERENCJA albo inaczej: kiedy różnica dróg, przebytych przez fale z obu źródeł jest wielokrotnością długości fali: to w punkcie P fale spotkają się w fazach zgodnych i po nałożeniu wzmocnią się. Dla punktów, dla których: k r r 2I 1 kr 4I r 2 0 cos 2 1 0 cos k r1 r2 n r 1 r 2 r1 r2 n n 2 1 2 nastąpi wygaszenie, ponieważ fale będą miały fazę przeciwną. 2 1

INTERFERENCJA szerokoscwidmowa koherencji v 1 t czas koherencji t droga koherencji l ct v c (Hz) t c czas koherencji l droga koherencji Światło słoneczne 4*10 14 2,7 fs 0,8 mm LED 1,5*10 13 67 fs 20 mm Lampa sodowa 5*10 11 2 ps 600 mm Laser He-Ne 1.5*10 9 670 ps 20 cm Laser He-Ne 1 mod 1*10 5 1 ms 300 m

INTERFERENCJA Zalety i wady pomiarów interferencyjnych No i znowu Materiał do przemyślenia* i opracowania samemu, a nie tylko kopiowanie notatek ;-P * Copyright by Stirlitz** **(kto to u diabła jest?)

MONOCHROMATORY Monochromator jest urządzeniem, którego zadaniem jest wydzielenie z całego widma promieniowania padającego na szczelinę wejściową tylko niewielkiej, interesującej nas części. Główną częścią monochromatora jest element dyspersyjny, który ma rozszczepić wiązkę światła. Może nim być pryzmat lub siatka dyfrakcyjna. W obydwu tych elementach wykorzystujemy fakt, że kąt załamania (pryzmat) czy ugięcia (siatka dyfrakcyjna) wiązki światła zależy od jej długości. http://users.uj.edu.pl/~ufpostaw/2_pracownia /S2/monochromator.htm

FILTRY INTERFERENCYJNE Filtry interferencyjne wykorzystują zjawisko interferencji abu wzmocnić interesujące nas długości fali a osłabić inne. Filtry interferencyjne metalowe Filtry interferencyjne dielektryczne

Rodzaje interferometrów: Macha-Zehndera Michelsona Jamina, Rayleigha, Twymana-Greena, Fizeau, Sagnaca, Lloyda Fabry-Perota

Metoda Obremowa Metoda immersyjna, stosowana do pomiaru bezkształtnych kawałków szkła, soczewek itp. Badany przedmiot umieszcza się w mieszaninie cieczy immersyjnych i poprzez zmianę składu mieszaniny wyrównuje się (dla pewnej długości fali) współczynnik załamania cieczy i przedmiotu. Przedmiot staje się wtedy niewidoczny.

Metoda Obremowa W kuwecie znajduje się dodatkowo płytka wzorcowa, której współczynnik załamania różni się od współczynnika załamania ciała badanego o mniej niż 0,01.

Metoda Obremowa Skoro wystarczy zaobserwować znikanie badanej próbki, to po co płytka wzorcowa i gdzie tu wykorzystanie interferencji? Problem w tym, że ciecz immersyjną tworzymy na bieżąco, dolewając jednego składnika do drugiego i w momencie zniknięcia badanej próbki nie znamy jej współczynnika załamania! Dyspersja współczynnika załamania cieczy jest większa niż dyspersja szkła.

Metoda Obremowa c.d. Różnica dróg optycznych promienia biegnącego przez ciecz i przez płytkę wzorcową wynosi: d d grubość płytki; n C wsp. zał. cieczy; n W wsp. zał. wzorca. n n d n C W Płytka wzorcowa znika, gdy n C =n W, albo gdy jest równa całkowitej N-krotności długości fali zeszlifowany narożnik (inna grubość i do tego zmienna!) pozwala nam odróżnić zniknięcie zerowe od pozostałych. d n N - Krzywą dyspersji wzorca i jego grubość wyznaczamy w procesie kalibracji; - Szukamy długości fali, przy której znika brzeg próbki; - Szukamy sąsiednich długości fali L i P (jedna z nich to 0, druga znajduje się po drugiej stronie ), przy których następują kolejne N L i N P te zniknięcia (rozjaśnienia) brzegu wzorca; NLL NPP nl np d d - Wyznaczamy współczynnik załamania badanej próbki (jako odstępstwo od współczynnika załamania wzorca) interpolując otrzymane wyniki: L n nl np nl P L

Interferometr Rayleigha Służy do pomiarów współczynnika załamania gazów i cieczy. Używa się go do analizy gazów kopalnianych, piecowych, do wykrywania domieszek w wodzie itp. Dokładności określenia współczynnika załamania wynoszą 10-7 -10-8. T K Kolimator K formuje falę płaską w postaci wąskiej poziomej wiązki. W kolimator wycelowana jest luneta T, zaopatrzona w cylindryczny okular 0 3 o dużym powiększeniu. Przed obiektywem 0 2 lunety znajduje się przysłona D 2 z dwiema szczelinami.

Interferometr Rayleigha cd. Okular cylindryczny O 3 stanowi okrągła, cylindryczna pałeczka wykonana ze szkła optycznego o średnicy 2-3 mm. Oś cylindra jest równoległa do osi szczeliny przesłony D 1. Przy oglądaniu przez taki okular obrazu punktu świecącego widzimy więc świecącą linię. Strukturę dyfrakcyjną i rozkład oświetlenia dolnej części linii tworzy dolna część obiektywu O 2, górnej zaś górna.

Interferometr Rayleigha cd. Badane gazy lub ciecze znajdują się w jednakowych rurkach R 1 i R 2, znajdujących się między kolimatorem i lunetą. Rurki te znajdują się w dolnej części obiektywów O 1 i O 2.

Interferometr Rayleigha cd. Oglądamy więc przez okular lunety T dwa układy prążków interferencyjnych. Układ pierwszy, nieruchomy, tworzą górne połowy szczelin przysłony D 2. Układ drugi tworzą promienie przechodzące przez rurki R 1 i R 2, leżące w dolnej części przyrządu. Układy prążków się pokrywają, gdy rurki nie wnoszą różnicy dróg optycznych a więc gdy substancje je wypełniające mają ten sam współczynnik załamania (zakładamy tę samą długość rurek). Jeśli rurki napełnione są substancjami o różnych współczynnikach załamania, wówczas dolny układ prążków jest przesunięty względem górnego.

Interferometr Rayleigha cd. Element mierniczy układu stanowią dwie szklane płytki płasko-równoległe P 1 i P 2, nachylone pod kątem 45 do osi kolimator-luneta. Płytka P 1 jest nieruchoma zaś P 2 może być pochylana dookoła poziomej osi za pomocą śruby mikrometrycznej. Pochylanie płytki P 2 wprowadza zmianę drogi optycznej promieni przechodzących przez nią. Płytka P 1 służy do wyrównania dróg optycznych.

Interferometr Rayleigha cd. Czułość interferometru zależy od długości rurek. W celu zmniejszenia długości interferometru stosuje się układy, w których promienie przechodzą przez rurki dwa razy. Zależność między podstawowymi parametrami interferometru Rayleigha: n l N gdzie: Δn mierzona różnica współczynników załamania, l długość rurek, ΔN dokładność określenia przesunięcia prążków interferencyjnych, λ - długość używanej fali. Przykład: dla l=300 mm, λ = 600 nm i ΔN = 0,05, Δn osiąga 10-7.

Interferometr Rayleigha cd. Czułość interferometru i jego poprawność działania zależy też od właściwości układu kompensatora.

Interferometr Jamina Składa się z dwóch płytek szklanych P 1 i P 2 o jednakowej grubości, których tylne powierzchnie pokryte są warstwą odbijającą. Jaki to układ interferometru? Różnica dróg promieni 1 i 2 jest równa zeru, gdy obie płytki są do siebie idealnie równoległe.

Interferometr Jamina cd. Jako element mierniczy mogą służyć przedstawione wcześniej kompensatory. Po co w ogóle te kompensatory? Wciąż ten sam problem patrz: zalety i wady pomiarów interferencyjnych!

Interferometr Macha-Zehndera Interferometr umożliwia wsuwanie w bieg jednej z wiązek dużych obiektów. Jest to więc modyfikacja interferometru Jamina, rozdzielająca interferujące wiązki na duże odległości. Dodatkowo, umożliwia kontrolę parametrów pola prążkowego. Przyrząd wykorzystuje się np. w interferencyjnych metodach wizualizacji przepływów.

Metoda de Chaulnesa (już nie interferencyjna) Pomiar współczynnika załamania opiera się na pomiarze wielkości poosiowego przesunięcia obrazu, utworzonego przez płytkę płaskorównoległą.

Immersyjne metody pomiaru współczynnika załamania przy pomocy mikroskopu. Prążek Becka chętnie się dowiem, co to jest (na egzaminie)