Optyka Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa 1
Optyka falowa Opis i zastosowania fal elektromagnetycznych w zakresie widzialnym i bliskim widzialnemu Podstawowe zasady zasada superpozycji interferencja fal interferencja konstruktywna interferencja destruktywna zasada Huyghensa( Fresnela): Każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali, można uważać za źródło nowej fali kulistej Dyfrakcja 2
Plan wykładu (zarys) Wstęp Główne idee optyki klasycznej Podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej (?) Przejścia optyczne w półprzewodnikach Kwantowe pole elektromagnetyczne Kwantowanie pola Stany pola Oddziaływanie światła z materią Spektroskopia liniowa i nieliniowa półprzewodników Oscylacje Rabiego; przejścia adiabatyczne itp. Kwantowy opis elementów optycznych Kwantowy opis korelacji i spektroskopia korelacyjna Eksperymenty interferencyjne Kwantowe przetwarzanie informacji Rezonansowa fluorescencja 3
Wavelength Frequency (Hz) Światło fala elektromagnetyczna Gamma-rays Rozwiązanie równań Maxwella fala płaska z 0.1 Å 1019 E 1Å 0.1 nm 1018 1 nm 1017 v x 400 nm X-rays B y 10 nm 1016 500 nm Ultraviolet Parametry: 100 nm 1015 Visible Near IR 1014 1000 nm 1 µm 600 nm 10 µm Infra-red 10 13 Thermal IR 100 µm 1012 Far IR 1000 MHz 10 11 UHF Polaryzacja kołowa 1 cm Microwaves 1010 500 MHz 1000 µm 1 mm 700 nm Polaryzacja liniowa kierunek drgań wektora E Radar 10 cm 10 9 VHF 7-13 100 MHz Radio, TV FM VHF 2-6 50 MHz 1m 10 8 10 m 10 7 100 m 10 6 AM 1000 m Long-waves 4
Interferencja Interferometr Michelsona Interferencja konstruktywna lub destruktywna w zależności od różnicy dróg optycznych 5
Dyfrakcja P Dyfrakcja Fresnela (bliskie pole) i Fraunhofera (dalekie pole) Natężenie fali za przeszkodą Dyfrakcja na szczelinie Pierwsze minimum: 6
Dyfrakcja (c.d.) Dyfrakcja na otworze kołowym dysk Airy'ego Pierwsze minimum J (x) 1.0 0 J (x) 1 J (x) 0.8 2 0.6 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0 5 10 x 15 20 7
Zdolność rozdzielcza kryterium Rayleigha Obraz dyfrakcyjny dwóch źródeł punktowych po przejściu przez otwór Kryterium Rayleigha: obrazy są rozdzielone, jeśli centralne maksimum pierwszego jest poza pierwszym minimum drugiego Zdolność rozdzielcza http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/raylei.html 8
Siatka dyfrakcyjna Maksimum natężenia dla Szerokość maksimum 9
Koherencja Idealna fala płaska: Rzeczywiste prążki: długość (droga) koherencji czas koherencji Naturalne światło składa się z krótkich pakietów falowych emitowanych przez różne atomy. Fazy fali w różnych pakietach są przypadkowe. 10
Długość koherencji a poszerzenie linii Poszerzenie Gaussowskie FWHM dla poszerzenia dopplerowskiego: Poszerzenie Lorentza 11
Rozpraszanie światła Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie elastyczne na atomach lub defektach (gazy, nieuporządkowane ciała stałe) Rozpraszanie Brillouina Rozpraszanie nieelastyczne na fluktuacjach współczynnika załamania (np. fale akustyczne w kryształach) Rozpraszanie Ramana Rozpraszanie nieelastyczne na drganiach atomów w molekułach i ciałach stałych 12
Dyfrakcja jako rozpraszanie Maksimum natężenia dla Zmiana wektora falowego jest związana z okresem struktury, na której następuje rozpraszanie! Dyfrakcja promieni rentgenowskich na kryształach informacja o strukturze. 13
Rozpraszanie na fluktuacjach współczynnika załamania (Brillouina) 14
Zjawiska nieliniowe w optyce Nieliniowa odpowiedź ośrodka (polaryzacja) pole o częstości sumarycznej lub różnicowej Podstawowe procesy 2. rzędu: Generacja częstości sumarycznej lub różnicowej Podwojenie częstości (generacja drugiej harmonicznej) Parametryczne obniżenie częstości Przykładowe procesy 3. rzędu Generacja trzeciej harmonicznej Stymulowane rozpraszanie Brillouina i Ramana 15