Optyka. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat. Dyfrakcja. Laser. Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018

Podobne dokumenty
Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

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

Wzbudzony stan energetyczny atomu

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

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

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

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

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

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

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

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

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

Falowa natura materii

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Lasery budowa, rodzaje, zastosowanie. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

Spektroskop, rurki Plückera, cewka Ruhmkorffa, aparat fotogtaficzny, źródło prądu

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

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Interferencja i dyfrakcja

Optyka. Wykład XI Krzysztof Golec-Biernat. Równania zwierciadeł i soczewek. Uniwersytet Rzeszowski, 3 stycznia 2018

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

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

Kwantowa natura promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Optyka. Wykład IX Krzysztof Golec-Biernat. Optyka geometryczna. Uniwersytet Rzeszowski, 13 grudnia 2017

Optyka. Wykład X Krzysztof Golec-Biernat. Zwierciadła i soczewki. Uniwersytet Rzeszowski, 20 grudnia 2017

Podstawy fizyki kwantowej

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

A21, B21, B12 współczynniki wprowadzone przez Einsteina w 1917 r.

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Wstęp do astrofizyki I

Światło fala, czy strumień cząstek?

Trzy rodzaje przejść elektronowych między poziomami energetycznymi

Interferencja i dyfrakcja

Podstawy fizyki wykład 8

Pomiar widm emisyjnych He, Na, Hg, Cd oraz Zn

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Wstęp do astrofizyki I

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ćwiczenie O3-A3 BADANIE DYFRAKCJI NA SZCZELINIE I SIAT- CE DYFRAKCYJNEJ Wstęp teoretyczny

Prawa optyki geometrycznej

Technika laserowa. dr inż. Sebastian Bielski. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG

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

Optyka falowa. dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ 2012/13

Struktura pasmowa ciał stałych

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Interferencja. Dyfrakcja.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Podstawy fizyki wykład 3

Wprowadzenie do optyki (zjawisko załamania światła, dyfrakcji, interferencji, polaryzacji, laser) (ćw. 9, 10)

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Lasery półprzewodnikowe na złączu p-n. Laser półprzewodnikowy a dioda świecąca

O3. BADANIE WIDM ATOMOWYCH

Wstęp do astrofizyki I

Wstęp do astrofizyki I

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Pytania do ćwiczeń na I-szej Pracowni Fizyki

Własności światła laserowego

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Światło ma podwójną naturę:

Podstawy fizyki kwantowej

Elementy optyki kwantowej. Ciało doskonale czarne. Teoria Wiena. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

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

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Dział: 7. Światło i jego rola w przyrodzie.

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Laser z podwojeniem częstotliwości

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

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

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Analiza spektralna widma gwiezdnego

Transkrypt:

Optyka Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Dyfrakcja. Laser Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018 Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 23

Plan Dyfrakcja na jednej i dwóch szczelinach Dyfrakcja na otworze kołowym Zdolność rozdzielcza soczewki Siatka dyfrakcyjna Laser Źródło rysunków do wykładu: Wikipedia, D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, tom 4 i 5, PWN 2014 Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 2 / 23

Interferencja fal świetlnych Doświadczenia Younga z dwoma infinitezymalnie cienkimi szczelinami Interferencja fal na szczelinach, otworach, obiektach o skończonych rozmiarach nazywa się tradycyjnie dyfrakcją (ugięciem) fal. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 3 / 23

Dyfrakcja Obraz dyfrakcyjny pojedynczej szczeliny o skończonej szerokości Obraz dyfrakcyjny otworu kołowego Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 4 / 23

Położenie minimów dyfrakcyjnych dla szczeliny W P 0 jasny punkt, a w P 1 pierwsze minimum interferencyjne (wygaszenie). Dzielimy szczelinę o szerokości a na połowę i rozważamy kolejne promienie. Dla D a interferencja destruktywna, gdy różnica dróg= λ/2 a 2 sin θ = λ 2 => a sin θ = λ Dla kolejnych minimów m = 3, 5, 7,... mamy a sin θ = mλ Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 5 / 23

Natężenie światła obrazu pojedynczej szczeliny Natężenie światła w funkcji kąta θ i szerokości szczeliny a a = λ a = 5λ a = 10λ Im szersza szczelina tym węższe jest maksimum centralne - tym słabiej jest uginane światło na szczelinie. Boczne maksima dyfrakcyjne znacznie słabsze niż centralne. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 6 / 23

Dyfrakcja na dwóch szczelinach I Rozkład natężenia światła w funkcji kąta θ dla danej szerokości szczelin a pojedyncza szczelina I dwie szczeliny Na obraz dyfrakcyjny b) jednej szczeliny nałożony obraz a) dwóch szczelin. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 7 / 23

Dyfrakcja na otworze kołowym Obraz odległej gwiazdy powstający w ogniskowej soczewki skupiającej jest obrazem dyfrakcyjnym Soczewka działa jako otwór kołowy dający obraz dyfrakcyjny. Położenie kątowe θ pierwszego minimum spełnia równanie sin θ = 1.22 λ a a = średnica otworu (soczewki) Dla pojedynczej szczeliny sin θ = λ a a = szerokość szczeliny Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 8 / 23

Zdolność rozdzielcza soczewki Kiedy dwa odległe obiekty (np. gwiazdy) mogą być rozróżnione? Kryterium Rayleigha - centralne maksimum dyfrakcyjne jednego obiektu pokrywa się z minimum dyfrakcyjnym drugiego obiektu Odległość kątowa θ między obiektami musi spełniać poniższy warunek (dla małych θ R ) aby je można było rozróżnić θ θ R = 1.22 λ a Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 9 / 23

Obrazy pointylistów I Z jakiej odległości nie zobaczymy już punktów? Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 10 / 23

Odpowiedź na pytanie Zakładamy, że średnia odległość między punktami D = 2 mm, a średnica soczewki oka a = 1.5 cm Minimalna rozdzielczość kątowa θ spełnia równanie θ D L = 1.22 λ a => L = Da 1.22λ Dla światła niebieskiego λ = 400 nm otrzymujemy L = 6.1 m. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 11 / 23

Siatka dyfrakcyjna Siatka dyfrakcyjna to układ N szczelin - np. N = 1000/mm Położenia maksimów natężeń linii dla światła monochromatycznego d sin θ = mλ m = 0, 1, 2, 3,... określa rząd linii. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 12 / 23

Szerokość linii a zdolność rozdzielcza siatki dyfrakcyjnej Szerokość linii: θ 1/2 = λ Nd cos θ N = liczba szczelin Przy szerokich liniach maksima dla różnych λ mogą się nakładać na siebie. Dla N 1 szerokości linii dla różnych λ na tyle wąskie, że linie można rozdzielić. Spektroskop siatkowy - używany do badania struktury atomu poprzez wyznaczanie jego linii widmowych. Linie emisyjne atomu wodoru z spektroskopu siatkowego dla m = 0, 1, 2, 3. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 13 / 23

Płyta kompaktowa jako siatka dyfrakcyjna Rowki o szerokości 0.5 µm działają jako szczeliny dyfrakcyjne. Rozproszone dyfrakcyjnie światło białe tworzy kolorowe pasma. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 14 / 23

Laser Laser wytwarza spójne, monochromatyczne i skolimowane promieniowanie w zakresie od mikrofal do promieniowania X. LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Twórcy: Th. H. Meinman, A. L. Shawlow, Ch. H. Townes, N. G. Basov, A. Prokhorov (nagroda Nobla 1964, 1981) Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 15 / 23

Podstawy fizyczne Zasada działania oparta o kwantową naturę atomów i promieniowania. Max Planck (1900) i Albert Einstein (1905) promieniowanie elektromagnetyczne ma własności korpuskularne. Kwanty promieniowania, nazywane fotonami, niosą energię i pęd E = hν, p = hc λ h = 6.626 10 34 J s to stała Plancka Niels Bohr (1913) model atomu wodoru Energia atomu przyjmuje tylko dyskretne wartości - poziomy energetyczne. Mechanika kwantowa (1925-26) pozwala wyliczyć poziomy energetyczne atomu przy założeniach co do oddziaływań pomiędzy elektronami i jądrem. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 16 / 23

Widma absorbcyjne i emisyjne atomów Atomy mogą pochłaniać (absorbować) lub emitować foton, który powoduje przejścia elektronów pomiędzy poziomami o energiach E n, E m hν = E n E m n, m = liczby kwantowe Atomu wodoru model Bohra versus mechanika kwantowa Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 17 / 23

Emisja wymuszona Wkład Einsteina - oprócz absorbcji i emisji spontanicznej fotonu istnieje jeszcze emisja wymuszona Emisja wymuszona pozwala wzmocnić promieniowanie: hν 2hν Prawdopodbieństwa absorbcji i emisji wymuszonej są takie same. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 18 / 23

Jak wzmocnić promieniowanie? W stanie równowagi termicznej obowiązuje statystyka Boltzmana prawdopodobieństwo obsadzenia stanów przez atomy spada eksponencjalnie ze wzrostem energii stanu P(E) e E/(kT ) Więcej atomów jest w stanie o niższej energii E 0 < E x absorbcja dominuje nad emisją wymuszoną. Kluczem do dominacji emisji wymuszonej jest inwersja obsadzeń więcej atomów jest w stanie o wyższej energii E x > E 0 Stan równowagi termicznej na rysunku a); inwersja obsadzeń na rysunku b) Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 19 / 23

Laser helowo-neonowy Inwersja obsadzeń jest osiągana metodą pompowania optycznego. Rura wypełniona mieszanką gazów He i Ne w proporcji 20 : 80, umieszczona pomiędzy dwoma zwierciadłami. W wyniku przepływu prądu elektronów atomy He przechodzą w stan metastabilny (długożyciowy) o energii E 3 = 20.61 ev. Pompowanie optyczne - w wyniku zderzeń atomy He przekazują swą energię atomom Ne wzbudzając je do energii E 2 = 20.66 ev bliskiej E 3. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 20 / 23

Laser helowo-neonowy Powstaje inwersja obsadzeń atomów Ne w stanie E 2 w stosunku do niżej leżącego stanu E 1 Emisja spontaniczna E 2 E 1 dostarcza fotonów do emisji wymuszonej między tymi poziomami w gazie neoneowym. Inwersja obsadzeń w gazie neonowym powoduje akcję laserową fotonów "czerwonych" o długości fali 632.8 nm Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 21 / 23

Współczesne lasery Lasery gazowe - He-Ne, Ar, N,... Lasery na ciele stałym - rubinowy, neodymowe, tytanowe,... Lasery na cieczy - np. barwnikowe (przestrajalne) Lasery półprzewodnikowe - diody laserowe, studnie i kropki kwantowe Laser na swobodnych elektronach - promieniowanie X Zastosowania - wszędzie, od życia codziennego, poprzez zastosowania komerycyjne, przemysłowe, medyczne, militarne do badań fundamentalnych. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 22 / 23

Dziękuje i do zobaczenia Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat Optyka 23 / 23