WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Podobne dokumenty
Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 15, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Ćwiczenie 5 Hologram gruby

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

2.Prawo zachowania masy

FOTOMETRYCZNE PRAWO ODLEGŁOŚCI (O9)

ZASTOSOWANIE LASERÓW W HOLOGRAFII

Ćwiczenie: "Ruch harmoniczny i fale"

wiat o mo e by rozumiane jako strumie fotonów albo jako fala elektromagnetyczna. Najprostszym przypadkiem fali elektromagnetycznej jest fala p aska

Fotonika. Plan: Wykład 2: Elementy refrakcyjne i dyfrakcyjne

ZASTOSOWANIE LASERÓW W METROLOGII. - miernictwo, nauka o pomiarach. Obejmuje wszystkie teoretyczne i praktyczne problemy zwi zane z pomiarami.

Zagadnienia transportowe

Informacje uzyskiwane dzięki spektrometrii mas

SPEKTROSKOPIA LASEROWA

MATEMATYKA 9. INSTYTUT MEDICUS Kurs przygotowawczy do matury i rekrutacji na studia medyczne Rok 2017/2018 FUNKCJE WYKŁADNICZE, LOGARYTMY

LVI OLIMPIADA FIZYCZNA 2006/2007 Zawody II stopnia

Temat: Funkcje. Własności ogólne. A n n a R a j f u r a, M a t e m a t y k a s e m e s t r 1, W S Z i M w S o c h a c z e w i e 1

Optyka geometryczna i falowa

II.5 Prędkość światła jako prędkość graniczna

MATERIAŁY DIAGNOSTYCZNE Z MATEMATYKI

spektroskopia UV Vis (cz. 2)

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2014/2015

2.1. Ruch, gradient pr dko ci, tensor pr dko ci odkszta cenia, Ruchem cia a B nazywamy dostatecznie g adko zale ne od czasu t jego odkszta cenie

Spis treści Wykład 3. Modelowanie fal. Równanie sine-gordona

ROZWIĄZANIA ZADAŃ Zestaw P3 Odpowiedzi do zadań zamkniętych

Modulatory. Bernard Ziętek

WYKŁAD 8. Postacie obrazów na różnych etapach procesu przetwarzania

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Wykład 10. Urządzenia energoelektroniczne poprzez regulację napięcia, prądu i częstotliwości umoŝliwiają

Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

BLOK I. 3. Korzystając z definicji pochodnej w punkcie, obliczyć pochodne podanych funkcji we wskazanych punktach:

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

14P2 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - II POZIOM PODSTAWOWY

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. ZADANIE TEORETYCZNE 2 CHŁODZENIE LASEROWE I MELASA OPTYCZNA

14.Rozwiązywanie zadań tekstowych wykorzystujących równania i nierówności kwadratowe.

Podstawowe pojęcia: Populacja. Populacja skończona zawiera skończoną liczbę jednostek statystycznych

Warszawska Giełda Towarowa S.A.

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

P 0max. P max. = P max = 0; 9 20 = 18 W. U 2 0max. U 0max = q P 0max = p 18 2 = 6 V. D = T = U 0 = D E ; = 6

Udoskonalona wentylacja komory suszenia

Transport Mechaniczny i Pneumatyczny Materiałów Rozdrobnionych. Ćwiczenie 2 Podstawy obliczeń przenośników taśmowych

MIKROEKONOMIA I FORMY RYNKU CZĘŚĆ 1. Konkurencja doskonała i monopol - dwa skrajne przypadki struktury rynku

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Podstawowe działania w rachunku macierzowym

W. Guzicki Zadanie 23 z Informatora Maturalnego poziom rozszerzony 1

Korzyści sklepu mobilnego. Błyskawiczne rozpoczęcie sprzedaży. Doskonała forma reklamy i budowania prestiżu. Łatwość adaptacji wyposażenia sklepu 1

Arkusz maturalny treningowy nr 7. W zadaniach 1. do 20. wybierz i zaznacz na karcie odpowiedzi poprawną odpowiedź.

Ogólna charakterystyka kontraktów terminowych

Politechnika Warszawska Wydział Matematyki i Nauk Informacyjnych ul. Koszykowa 75, Warszawa

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

Przykłady architektur sieci szerokopasmowych WDM: a).gwiazda, b). drzewo.

UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH

Pomiary geofizyczne w otworach

Soczewkowanie grawitacyjne 3

Projekt z dnia 2 listopada 2015 r. z dnia r.

HOLOGRAFIA CYFROWA. II Pracownia Fizyczna Ćwiczenie Z28, T. Kawalec 1

ANALIZA WIDMOWA (dla szkoły średniej) 1. Dane osobowe. 2. Podstawowe informacje BHP. 3. Opis stanowiska pomiarowego. 4. Procedura pomiarowa

Sterownik Silnika Krokowego GS 600

KURS GEOMETRIA ANALITYCZNA

Kod pracy. Po udzieleniu odpowiedzi do zadań 1 20, wypełnij tabelkę

Elementy fizyki relatywistycznej

Ć W I C Z E N I E N R O-10

Budowa stanowiska laboratoryjnego do wyznaczenia Apertury Numerycznej światłowodu, charakterystyki źródeł oraz detektorów światła.

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego 23 marca 2012 r. zawody III stopnia (finałowe)

Wiedza niepewna i wnioskowanie (c.d.)

Materiały pomocnicze 8 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

1. Rozwiązać układ równań { x 2 = 2y 1

NAJWAŻNIEJSZE ZALETY LAMP DIODOWYCH

jednoeksponencjalny (homogeniczny) wieloeksponencjalny (heterogeniczny) Schemat aparatury do zliczania pojedynczych fotonów skorelowanych czasowo.

INSTRUKCJA BHP PRZY RECZNYCH PRACACH TRANSPORTOWYCH DLA PRACOWNIKÓW KUCHENKI ODDZIAŁOWEJ.

Automatyka. Etymologicznie automatyka pochodzi od grec.

BADANIE WŁASNOŚCI FAL ELEKTOMAGNETYCZNYCH

(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Ć W I C Z E N I E 5. Częstotliwość graniczna

WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ ZAKŁAD TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I CERAMIKI. Laboratorium PODSTAWY TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII

Czas pracy 170 minut

Mapa umiejętności czytania, interpretacji i posługiwania się mapą Polski.

Wojewódzki Konkurs Matematyczny dla uczniów gimnazjów rok szkolny 2015/2016 Etap II rejonowy

PREFABRYKOWANE STUDNIE OPUSZCZANE Z ŻELBETU ŚREDNICACH NOMINALNYCH DN1500, DN2000, DN2500, DN3200 wg EN 1917 i DIN V

Fizyka Laserów wykład 10. Czesław Radzewicz

K P K P R K P R D K P R D W

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

Uchwała z dnia 20 października 2011 r., III CZP 53/11

Rodzaj środka technicznego

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII

Kwantowa natura promieniowania elektromagnetycznego

Statystyczna analiza danych w programie STATISTICA. Dariusz Gozdowski. Katedra Doświadczalnictwa i Bioinformatyki Wydział Rolnictwa i Biologii SGGW

Kurs z matematyki - zadania

INSTRUKCJA OBSŁUGI. Przed użyciem lasera należy zapoznać się w całości z niniejszą instrukcją!

WZORU UŻYTKOWEGO EGZEMPLARZ ARCHIWALNY. d2)opis OCHRONNY. (19) PL (n) Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa, PL

Przygotowały: Magdalena Golińska Ewa Karaś

Korekta jako formacja cenowa

Sprawozdanie. Układ utrzymujący stałą temperaturę sterowanie wentylatora na podstawie informacji z czujnika temperatury

CD-W Przetwornik stężenia CO 2 do montażu naściennego. Cechy i Korzyści. Rysunek 1: Przetwornik stężenia CO 2 do montażu naściennego

Agrofi k zy a Wyk Wy ł k ad V Marek Kasprowicz

DRGANIA MECHANICZNE. materiały uzupełniające do ćwiczeń. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie

PRZEPISY KLASYFIKACJI I BUDOWY STATKÓW MORSKICH

Badanie bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi (BLDCM)

Dziękujemy za zainteresowanie

Transkrypt:

1100-4BW12, rok akademicki 2018/19 WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ dr hab. Rafał Kasztelanic

Interferometry Michelsona Macha-Zehndera Fizeau ilf.fizyka.pw.edu.pl/instrukcje/michelson/ Sagnaca płytka 2 en.wikipedia.org

Interferometry Mirau Fabry-Perot Twymana-Greena www.thorlabs.com 3 en.wikipedia.org

Interferometr Fabry-Perot Różnica faz: 4

Interferometr Fabry-Perot 5

Analiza interferogramu 6 www.docsity.com/en/sample-interferograms-optical-measurement-techniques-in-thermal-sciences-lecture-notes/317111/

Analiza interferogramu Przesunięcie fazy 7 zto.mchtr.pw.edu.pl/download/18.pdf

Analiza interferogramu Dodanie częstości nośnej f 0 = M 4 gdzie M jest rozdzielczością matrycy detektora gdzie jest natężeniem światła w pikselach i=-2, -1, 0, +1, +2 8 Poprawianie obrazu prążków zto.mchtr.pw.edu.pl/download/18.pdf

Spektroskopia Fourierowska W klasycznym spektroskopie siatka dyfrakcyjna Detektor linijka Pojedynczy detektor skanowanie po λ Interferencja + analiza Fourierowska FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) Interferencja fal o różnych częstościach jest inna, bowiem dla tej samej drogi x, różnica faz jest inna, czyli w I(x) dla różnych długości fal zawarta jest informacja o WIDMIE. www.comsol.de/ray-optics-module Widmo transmisyjne sygnał interferencyjny sygnał przy Braku interferencji Transformata Fouriera A pr FT interferogramów z próbką A o FT bez próbki 9 mitr.p.lodz.pl/raman/ftir.pdf

Dyfrakcja Punktem wyjścia jest równanie Helmholtza: + k 2 U x = 0 Rozwiązanie równania falowego w postaci fal monochromatycznych gdzie k = ω c = 2πν λ jest wektorem falowym. Właściwości danego pola U zależą wyłącznie od położenia i czasu: U x, t = Re U x e iωt Obliczenie własności zespolonego pola U(x) w dowolnym punkcie przestrzeni x możliwe jest przy wykorzystaniu funkcji Greena: U x 0 = 1 4π S U x G x U x G x ds Jest to podstawowe równanie skalarnej teorii dyfrakcji (równanie Helmholtza-Kirchhoffa). Pozwala ono na sprowadzenie problemu dyfrakcji do rozważania pól rozchodzących się bez przeszkód oraz pól pochodzących od przeszkód, które stają się źródłem fal sferycznych. Całkowanie odbywa się po powierzchni zamkniętej S, która otacza dany punkt. 10

Dyfrakcja Mamy dwie funkcje ciągłe i dwukrotnie różniczkowalne U i G: Twierdzenie Gaussa: U G = U G + U G G U = G U + G U U G G U = U 2 G G 2 U Liczymy teraz całkę po objętości, w której określone są te funkcje: Przepływ w objętości V ම V U G G U dv = ම V U 2 G G 2 U dv Lewą stronę z teorii Gaussa można zastąpić całką po powierzchni: S U G G U ds = ම V U 2 G G 2 U dv Jeśli gradient policzy się wzdłuż normalnych dostaje się: Strumień przepływający przez objętość otoczoną powierzchnią S ඵ S U G n G U n ds = ම V U 2 G G 2 U dv 11

Dyfrakcja Rozważmy dyfrakcję na otworze o wielkości w, fali rozchodzącej się z punktu xs. Krzywą zamkniętą S, po której całkujemy dzielimy na 3 części: A - Obszar otworu 𝑈 𝑥 = 𝑈𝑠 𝑥 𝑈 𝑥 𝑈𝑆 𝑥 = 𝑛 𝑛 B Powierzchnia ekranu 𝑈 𝑥 =0 𝑈 𝑥 =0 𝑛 C ograniczenie w wolnej przestrzeni lim 𝑥 𝑥 𝑈 𝑥 𝑖𝑘𝑈 𝑥 𝑛 Warunek Sommerfelda 12 =0

Dyfrakcja Czyli wpływ ekranu i wolnej przestrzeni równy jest 0. Zostaje tylko OTWÓR W EKRANIE. U x 0 = 1 4π ඵ A U x n G x U S x G x n ds Aby rozwiązać to zagadnienie musimy poczynić kilka założeń. Fala wejściowa ma postać fali sferycznej: U S x S = A S e ik 0r S r S r S = x S x Odległość punktu skąd startuje fala wejściowa x S i punktu obserwacji x 0 jest dużo większa niż długość fali: Funkcja G również ma postać fali sferycznej: λ r 0, r S G x = eik 0r 0 r 0 r 0 = x 0 x 13

Dyfrakcja Dostajemy: U S x n G x n ik 0 A S cos n, x S x eik 0r S r S ik 0cos n, x 0 x eik0r0 r 0 n normalna do płaszczyzny otworu i po podstawieniu do równania Helmholtza-Kirchhoffa: U x 0 = ia S λ ඵ A e ik 0 r S +r 0 r S r 0 cos n, x 0 x cos n, x S x 2 ds Równanie to jest symetryczne, to znaczy, możemy zamienić punkty x 0 i x S. Jest to twierdzenie o wzajemności Helmholtza. 14

Dyfrakcja Kirchhoffa Wypisując jawnie współrzędne punktów (x,y) otrzymujemy: U x 0, y 0 = ඵ h x 0, y 0, x, y U S x, y dx dy = ඵ h x 0, y 0, x, y eik Sr S x,y x,y r S dx dy gdzie: h x 0, y 0, x, y = i λ cos n, x 0 x cos n, x S x 2 e ik 0r 0 r 0 czyli dyfrakcja zależna jest od funkcji h(x 0,y 0,x,y), w której zawarte są informacje o wzajemnym położeniu punktu obserwacji i punktu skąd pochodzi fala padająca oraz od kształtu otworu, o którym informacja zawarta jest w obszarze całkowania. Wzór ten jest prawdziwy dla odległości z>λ/2 Jest trudny do praktycznego stosowania, dlatego wprowadza się kolejne przybliżenia. Wniosek Huygensa dyfrakcja to złożenie fal kulistych rozchodzących się z płaszczyzny otworu Z dokładnością do: czynnika 1/λ, czynnika kierunkowego [(cos-cos)/2], fazy π/2 15

Dyfrakcja Hyugensa-Fresnela Przyjmując: cos n, x 0 x cos n, x S x 2 = 1 Prawdziwe jeśli źródło i punkt obserwacji daleko w porównaniu z wielkością otworu Uzyskujemy: U x 0, y 0 = i λ ඵ x,y U x, y eik Sr S dx dy Dyfrakcja Hyugensa-Fresnela r S czyli złożenie fal kulistych z obrębu otworu 16

Dyfrakcja Fresnela Dla dużej odległości ekranu od otworu: e ik 0r 0 r 0 eik0r0 z 0 Dodatkowo rozwińmy w szereg Taylora wyrażenia k 0 r 0 z równania: h x 0, y 0, x, y = i λ e ik 0r 0 r 0 k 0 r 0 = k 0 z 0 2 + x x 0 2 + y y 0 2 = k 0 z 0 1 + 1 2 x x 0 z 0 2 + 1 2 y y 0 z 0 2 Biorąc tylko człony kwadratowe otrzymujemy: h x 0, y 0, x, y i eik 0z 0 λz 0 k 0 e i 2z x x 2 0 + y y 2 0 0 Przybliżenie prawdziwe dla: 2z 0 3 k 0 x x 2 2 2 0 + y y 0 max Lub równoważnie: z 0 w gdzie w jest wielkością otworu. 17

Dyfrakcja Fraunhofera Pomijając dalej kolejne wyrażenia: k 0 r 0 = k 0 z 0 2 + x x 0 2 + y y 0 2 = = k 0 z 0 1 + 1 2 x x 0 z 0 = k 0 z 0 1 + x 0 2 + y 0 2 2 + 1 2 y y 0 z 0 2 = 2 xx 0 + yy 0 2 + x2 + y 2 2 2z 0 z 0 2z 0 uzyskujemy: h x 0, y 0, x, y i eik 0z 0 λz 0 k 0 e i x 2z 2 0 +y2 0 i k 0 xx 0 e z 0 +yy 0 0 Przybliżenie prawdziwe dla: 2z 0 k x 2 + y 2 max Lub równoważnie: z 0 w2 λ gdzie w jest wielkością otworu. 18

Dyfrakcja Fresnel: Fraunchhofer: Sprowadzenie dyfrakcji Fresnela do dyfrakcji Fraunchofera: 19

Dyfrakcja - przykłady en.wikipedia.org es.123rf.com 20

Dyfrakcja - przykłady Odbiciowa siatka dyfrakcyjna Przykładowa siatka płyta CD Odległość między ścieżkami: d = 1,6 μm Liczba linii na mm: N = 625 Długość fali (laser He-Ne): l = 632,8 nm Rzędy ugięcia: Czyli: 1 3 k 23,2972 2 52,2791 nie ma kl arcsin d Rozdzielczość siatki dyfrakcyjnej: Określa możliwość rozdzielenia dwóch długości fali różniących się o l Maksimum od jednej wypada w pierwszym minimum od drugiej (kryterium Rayleigha) l l Nd sin sin l gdzie: θ 0 kąt padania wiązki na siatkę 0 l 0,506 nm (2 rząd) 21

Dyfrakcja Matlab animacje: Wiązka monochromatycza Światło białe konfiguracja Litrowa dla danej długości fali wiązka w danym rzędzie dyfrakcyjnym biegnie jak wiązka padająca działa dla tej długości fali jak zwierciadło. Nakładanie się kolejnych rzędów dyfrakcyjnych 22

Siatka dyfrakcyjna Wydajność siatki dyfrakcyjnej: Stosunek energii padającej na siatkę do energii ugiętej w pierwszy rząd dyfrakcyjny Dla siatki amplitudowej: max 6, 25% Dyspersja siatki dyfrakcyjnej: W konfiguracji Littrowa: 23

Siatka dyfrakcyjna Siatka karbowana (blazed): Może być w wersji fazowej i w wersji amplitudowej. W obu przypadkach opis jak w wersji fazowej pochylenie wprowadza zmianę fazy I 2 2 sin d sin / l sin Nasin / l d sin / l N sin asin / l 24

Siatka dyfrakcyjna 0,25 0,25 0,52 25

Siatka dyfrakcyjna kat = 5 kat = 10 kat = 15 kat = 20 kat = 25 kat = 30 26

Siatka dyfrakcyjna Rozważamy jak zmienia się obraz siatki dyfrakcyjnej po filtracji: Siatka dyfrakcyjna: x1 m x1 tx ( 1) rect rect m a b Układ do filtracji: 27

Siatka dyfrakcyjna Sygnał w płaszczyźnie fourierowskiej: 28

Siatka dyfrakcyjna Filtracja dolnoprzepustowa: 29

Siatka dyfrakcyjna Filtracja środkowoprzepustowa: 30

Siatka dyfrakcyjna Filtracja górnoprzepustowa: Jednorodne natężenie odwrócenie kontrastu 31