Wykład VI Dalekie pole

Podobne dokumenty
Wykład VII Splot i bliskie pole

Mikroskop teoria Abbego

Różne reżimy dyfrakcji

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

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

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

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

Propagacja w przestrzeni swobodnej (dyfrakcja)

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

Rejestracja i rekonstrukcja fal optycznych. Hologram zawiera pełny zapis informacji o fali optycznej jej amplitudzie i fazie.

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

= sin. = 2Rsin. R = E m. = sin

Dyfrakcja światła na otworze kołowym, czyli po co fizykowi całkowanie numeryczne?

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 2. CAŁKA PODWÓJNA Całka podwójna po prostokącie

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Wykład 27 Dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła w polu bliskim i dalekim

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

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Laboratorium Optyki Falowej

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

Rozpraszanie i dyfrakcja promieniowania X

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

ODWZOROWANIE W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

ĘŚCIOWO KOHERENTNYM. τ), gdzie Γ(r 1. oznacza centralną częstotliwość promieniowania quasi-monochromatycznego.

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Zjawisko interferencji fal

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

POMIARY OPTYCZNE 1. Proste przyrządy optyczne. Damian Siedlecki

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

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

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera

Zjawiska dyfrakcji. Propagacja dowolnych fal w przestrzeni

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

1 Płaska fala elektromagnetyczna

G:\AA_Wyklad 2000\FIN\DOC\FRAUN1.doc. "Drgania i fale" ii rok FizykaBC. Dyfrakcja: Skalarna teoria dyfrakcji: ia λ

Interferencja. Dyfrakcja.

PODSTAWY DYFRAKCJI WYBRANE ZAGADNIENIA DYFRAKCJI FRAUNHOFERA Krzysztof

Ćwiczenie 12. Wprowadzenie teoretyczne

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

ANALIZA HARMONICZNA DŹWIĘKU SKŁADANIE DRGAŃ AKUSTYCZNYCH DUDNIENIA.

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

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

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

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

Zadania egzaminacyjne

Transformacje Fouriera * podstawowe własności

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15


Całka podwójna po prostokącie

TO SĄ ZAGADNIENIA O CHARAKTERZE RACZEJ TEORETYCZNYM PRZYKŁADOWE ZADANIA MACIE PAŃSTWO W MATERIAŁACH ĆWICZENIOWYCH. CIĄGI

Wykład IV Zasada Huygensa-Fresnela

Optyka instrumentalna

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

9. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

Moment pędu fali elektromagnetycznej

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Zjawisko interferencji fal

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 3. Częstotliwości przestrzenne struktur okresowych

Wymagania na egzamin poprawkowy z matematyki w roku szkolnym 2018/2019 klasa 1 TLog

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM PODSTAWOWY. Etapy rozwiązania zadania

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Kinematyka: opis ruchu

Fotonika. Plan: Wykład 2: Elementy refrakcyjne i dyfrakcyjne

Drgania i fale II rok Fizyk BC

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Ważne rozkłady i twierdzenia c.d.

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Zjawisko interferencji fal

Wymagania na egzamin poprawkowy z matematyki w roku szkolnym 2018/2019 klasy 2 a BS i 2 b BS

WYMAGANIA WSTĘPNE Z MATEMATYKI

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

ODWZOROWANIE I PRZETWARZANIE SYGNAŁU OPTYCZNEGO W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

Przykładowe zadania na egzamin z matematyki - dr Anita Tlałka - 1

Transkrypt:

Wykład VI Dalekie pole

Schemat przypomnienie

Musimy znać rozkład fali padającej u pad (x,y) w płaszczyźnie układu optycznego Musimy znać funkcję transmitancji układu optycznego t(x,y) Określamy falę właśnie wychodzącą z przedmiotu U wych wzorem u wych (x,y) = u pad (x,y) t(x,y) Aby obliczyć rozkład amplitudy fali na ekranie u e (x e, y e ) musimy odwołać się do jednej z całek dyfrakcyjnych. Całkujemy wielkość u wych. Aby obliczyć natężenie światła na ekranie obliczamy kwadrat modułu u e : i = u e 2.

Całka dalekiego pola - przypomnienie dy dx y y x x z i k y x z i k y x P o o o o pad o exp 2 exp, u u 2 2 0 2 2 2 y x z k o 1 2 exp 2 2 y x z k i o

Nowe zmienne

Całka dalekiego pola jest transformatą Fouriera

Obraz szczeliny prostokątnej

Przykład #2 Otwór kołowy

Otwór kołowy

r=1mm r=0,5mm r=0,25mm

Siatka dyfrakcyjna

Przypomnienie

d sin φ = mλ d sin(φ) = m n λ Bardzo prosty model każdą szczelinę reprezentuje punkt świecący znajdujący się w jej środku Teraz uwzględniamy powierzchnie szczeliny

Realizujemy schemat

Fala płaska poosiowa 1. Fala padająca

2. Funkcja transmitancji siatki

3. Fala wychodząca u x, y exp ikz t x, y wych

4. Całka dyfrakcyjna, w tym przypadku dalekiego pola

Obliczenie całki

Po faktoryzacji Ta całka da się sfaktoryzować

Część y-kowa ma postać jak dla szczeliny

Część x-owa całkuje sumę wyrażeń, więc na mocy twierdzenia liniowości możemy zamienić kolejności sumowanie z całkowaniem Każdy składnik sumy zawiera przesuniętą szczelinę. Dla szczeliny bez przesunięcia rozwiązanie znamy

Dla szczeliny przesuniętej stosujemy twierdzenie o przesunięciu

Po złożeniu rozwiązań po x i y dostajemy wzór na amplitudę fali płaskiej po przejściu przez siatkę. Jednak forma tego wyrażenia jest mało przejrzysta Powinniśmy spróbować obliczyć sumę

Wyrażenia sumy tworzą ciąg geometryczny Wzór na sumę N wyrazów ciągu geometrycznego

Po jego zastosowaniu wyrażenie na dyfrakcję na siatce przyjmie postać To jeszcze nie to, czas na dalsze przekształcenia

Przekształcenia są dość żmudne ale mamy w odwodzie systemy CAS, dla przykładu obliczenia w pakiecie Mathematica Zastosuję instrukcję ExpToTrig, czyli konwertuj postać ekspotencjalną do trygonometrycznej fx fx Uprość jak się da tak otrzymany wynik, czyli do wyniku zastosuj instrukcję Simplify

Po uproszczeniu I, żeby było weselej wróć do postaci ekspotencjalnej, ale tylko z częścią wrażenia Wynik Po dopisaniu reszty wyrażenia

Zatem Csc[ dfxn] Csc[ dfx ] sin 1 df x fx f x

Po dołożeniu części y-kowej i stałych mamy Koniec kroku czwartego

5. Obliczenie natężenia Stałe są mało istotne

szerokość szczeliny a=1mm, stała siatki d=1mm, wysokość szczeliny d=2mm, ilość szczelin N=10.

szerokość szczeliny siatki wynosi a=0,5 jej wysokość b=2, stała siatki wynosi d=4, a ilość szczelin N=10.

Czy ten wynik można uogólnić?

Można ale musimy się do tego przygotować

Transformata Fouriera fali płaskiej poosiowej ce 2πixξ dx =?

Delta Diraca Ile wynosi pole pod funkcją h(x) która jest różna od zera tylko w jednym punkcie?

Podobnie jest dla każdej funkcji hh(x) która jest różna od zera w wielu izolowanych punktach

Na początku XX wieku fizycy zatęsknili za funkcją (oznaczę ją przez (x)), która byłaby różna od zera tylko w jednym punkcie a ponadto δ x f x dx = f 0

W latach 40-tych XX wieku a głównym sprawczym był matematyk francuski Laurent Schwarzt. Schwartz uogólnił pojęcie funkcji wprowadzając tzw. dystrybucje (funkcje uogólnione). Dystrybucja jest klasą odwzorowań liniowych, które przyporządkowują funkcjom z danego zbioru funkcji testowych liczby rzeczywiste. I tak dystrybucja delta Diraca zdefiniowana jest wzorem δ x f x dx = f 0 Czasem zapisujemy ją tak δ f = f 0

delta Diraca jest liniowa Nadto mamy δ αf 1 + βf 2 = α δ f 0 + β δ f 0 δ x x 0 f x dx = f x 0 δ x = δ x δ ax = 1 a δ x

W dwóch wymiarach δ x, y f x, y dxdy = f 0,0 δ x x 0, y y 0 f x, y dxdy = f x 0, y 0

Mogę teraz odpowiedzieć na pytanie ile wynosi transformata Fouriera funkcji stałej f(x)=c. W tym celu złóżmy transformatę Fouriera z odpowiadającą jej transformatą odwrotną c = c e 2πix ξ dx e 2πixξ dξ

Jeżeli formalnie zamienimy kolejność całkowania to otrzymamy c = c e 2πi x x ξ dξ d x widać, że wyrażenie w nawiasie musi być dystrybucją delta Diraca e 2πi x x ξ dξ = δ x c δ x d x = c1 = c

Zatem transformata Fouriera funkcji stałej jest dystrybucją delta Diraca przemnożoną przez wartość funkcji. c e 2πixξ dx = c δ x

Siatka uogólniona

Regularny układ trójkątnych otworów Trian to funkcja transmitancji otworu O kształcie trójkąta

Kolejna przerwa tym razem na splot

Splot funkcji f i h

x? Splot x f x g x f h x d 0 0 1 1 1 2 3 3 3

1 1 0

Twierdzenie o splocie

Splotowy zapis funkcji transmitancji dla N- otworów Funkcja lokalizacji Funkcja lokalizacji pokazuje współrzędne środków trójkątów

Twierdzenie o splocie

Twierdzenie o uszeregowaniu Amplitudę zespoloną obrazu dyfrakcyjnego w dalekim polu, przedmiotu złożonego z układu elementarnych elementów można przedstawić jako iloczyn amplitudy zespolonej reprezentującej obraz interferencyjny funkcji lokalizacji tych elementów oraz amplitudy zespolonej reprezentującej obraz dyfrakcyjny pojedynczego elementarnego elementu

Przykład zastosowania

Badanie kryształów

Obrazy

Atom i jego obraz dyfrakcyjny

Siedmioatomowa molekuła i jej obraz dyfrakcyjny

Najważniejszy przykład

Nieograniczona siatka harmoniczna

Widmo siatki harmonicznej

Obraz siatki w mikroskopie

Wymagania Transformaty Fouriera twierdzenie o liniowości, przesunięciu i podobieństwie Twierdzenie o splocie Częstości przestrzenne Całka dalekiego pola jako rozkład na fale płaskie Twierdzenie o uszeregowaniu

Przykładowe zadanie Wskaż prawidłowe zdanie dotyczące binarnej siatki dyfrakcyjnej a) Im gęstsza jest siatka tym więcej maksimów jest widocznych na ekranie o zadanej szerokości i znajdującym się w zadanej odległości od siatki; b) im większa jest długość fali tym większy jest kąt ugięcia płaskiej fali padającej na siatkę dyfrakcyjną; c) obraz siatki można uzyskać jako iloczyn dwóch członów: opisującego ugięcie na pojedynczej szczelinie i opisującego interferencję fal rozchodzących się ze środków szczelin siatki; d) rozdzielczość siatki nie zależy od jej stałej