Wstęp do optyki współczesnej Krystyna Kolwas Instytut Fizyki PAN, ON2.2 Budynek VIII, pokój 4. www.ifpan.edu.pl/on-2/on22/staff/kolwak.html Czułość spektralna oka Po co zajmować się optyką? Wprowadzenie Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi Wzrok jest najważniejszym zmysłem, jakim dysponujemy Współczesne fascynacje: informatyka kwantowa, fotonika, Blisko 90% informacji o otoczeniu uzyskiwane jest przez człowieka za pomocą wzroku + 1,6 2 mln włókien nerwowych Komputer kwantowy myślący o kocie Schrödingera Informatyka kwantowa: qubity, quitrity (spin fotonu, splątanie) kwantowe szyfrowanie informacji kwantowa teleportacja komputery kwantowe? Fotonika: fotony zastępują elektrony; jedna z najszybciej rozwijających się dziedzin nauki i techniki http://ee.usc.edu/research/photonics_quantum.htm 1 2
Trzy sposoby myślenia o świetle: promienie; optyka geometryczna fale; elektromagnetyzm cząstki: fotony; fizyka kwantów Źródła (główne) wykorzystywane w prezentacjach: Rick Trebino (Georgia Institute of Technology): www.physics.gatech.edu/gcuo/lectures/index.html Wojciech Gawlik (Instutut Fizyki Uniwersytetu Jagielońskiego): www.physics.gatech.edu/gcuo/lectures/index.html Wikipedia (polska i angielska) World Wide Web. Wprowadzenie; historia optyki w pigułce Fale elektromagnetyczne Fala płaska Spójność czasowa i przestrzenna Polaryzacja Prędkość grupowa i fazowa; Czy można pokonać prędkość światła? Czy można zatrzymać światło? Interferencja Widmo elektromagnetyczne Skąd się bierze światło Promieniowanie ciała doskonale czarnego Promieniowanie reliktowe Proces widzenia u człowieka Co jest nie tak z żarówką? Fale a cząstki Lasery i podstawy ich działania Optyczne chłodzenie atomów Program wykładu Równania Maxwella Oddziaływanie światła z materią Wielkości mikro- i makroskopowe Funkcje materiałowe z dyspersją czasową i przestrzenną Dyspersja czasowa; model funkcji dielektrycznej Drudego-Lorentza Ujemny współczynnik załamania; metamateriały Rozpraszanie światła Odbicie i rozproszenie światła na granicy ośrodków Fala ewanescentna Rozpraszanie światła przez małe obiekty Teoria rozpraszania Mie, zależność od rozmiaru Dlaczego niebo jest niebieskie Zjawiska optyczne w nanoskali, plazmony powierzchniowe Rezonanse plazmonowe w nanocząstkach Niezwykłe właściwości optyczne nanodziurek, nanostruktury periodyczne Optyka nieliniowa; przegląd najważniejszych zjawisk Optyka ultrakrótkich impulsów Impulsy światła: częstość a czas: chip Historia optyki: czym jest światło? Hipotezy odnośnie natury światła: 1. Strumień cząstek? - przenoszenie energii - odbicie - załamanie ale co ze zmianą koloru (kryształy, warstwy, pryzmat)??? polaryzacja, dyfrakcja, interferencja 2. Fale? znane fale mechaniczne ale te muszą mieć jakiś ośrodek (sprężysty), nie rozchodzą się w próżni, a światło owszem! Co faluje? Koncepcja eteru Światło według Starego Testamentu Powiedział tedy Bóg: Niech się stanie światło! I stało się światło. I widział Bóg, że światło było dobre. Wtedy oddzielił Bóg światło od ciemności. fragment Księgi Rodzaju 3 4
Optyka w Starożytności Najstarsze znalezione miedziane zwierciadła: w grobach faraonów egipskich (1900 BCE). Starożytna Grecja (500-300 BCE) Euklides, Heron, Ptolemeusz prawa odbicia (katoptyka), Platon - załamanie w wodzie, teorie widzenia: ciała świecące emitują cząsteczki światła (atomiści) z oczu obserwatora wysyłane jest coś, co czuje obiekt widziany światło istnieje w ośrodku, a jego modyfikacja następuje w wyniku obecności przedmiotu świecącego (Arystoteles) Optyka w wiekach średnich: Alhazen ojciec optyki Abu Ali Hasan Ibn al-hajsam, łac. Alhazen, (965-1038). Najwybitniejszy fizyk i astronom ówczesnego świata. Pochodził z miasta Al-Basra w Mezopotamii. Zajmował się: teorią światła, załamywaniem i rozszczepianiem się promieni słonecznych. Tłumaczenia jego książek miały duży wpływ m.in.. na Bacona, Keplera. Alhazen stwierdził, że przedmioty są widziane bądź dlatego, że same świecą, bądź dlatego, że odbijają promienie światła z innego źródła, które docierają do oka. Wprowadził pojęcie jasności obiektu lub świecenia (w tłumaczeniach na łacinę te pojęcia określano jako lux i lumen) Sformułował również prawa odbicia i załamania jako wynik wolniejszego ruchu światła w bardziej gęstych substancjach. Jego działalność zapoczątkowała astronomię teleskopową Światło jako broń (?) Wcześni historycy greccy i rzymscy donoszą, że Archimedes wyposażył setki ludzi w metalowe zwierciadła by zogniskować światło słoneczne na rzymskich statkach wojennych w bitwie pod Syrakuzami (213-211 BCE). Jest to historia apokryficzna Optyka w wiekach średnich: Witelon Witelon, także: Witelo, Vitellio, Vitello, Vitello Thuringopolonis, Erazm Ciołek (ur. ok. 1230, zm. 1280-1314) mnich, fizyk, matematyk, filozof, twórca podstaw psychologii spostrzegania. Urodził się na Dolnym Śląsku, prawdopodobnie w Legnicy. Był on pierwszym szeroko znanym uczonym, piszącym o sobie in nostra terra, scilicet Polonia z naszej ziemi, to znaczy Polski, autorem dzieła o optyce i fizjologii widzenia. Rozprawa ta była wznawiana jeszcze kilkaset lat po jego śmierci, znał ją m.in. Leonardo da Vinci i Mikołaj Kopernik. Witelon miał bardzo nowatorskie poglądy na temat anatomii oka i fizjologii widzenia. Bywa on uznawany za twórcę podwalin wiedzy psychologicznopsychiatrycznej i psychopatologicznej. Jeden z kraterów na Księżycu nazwany jest imieniem Vitello. 5 6
Optyka we wczesnych latach 17ego wieku: Europa Galileusz (Galileo Galilei) (1564-1642) 1642) włoski astronom, astrolog, fizyk i filozof, twórca podstaw nowożytnej fizyki. Obserwował plamy na Słońcu (znane już od dawna Chińczykom, fazy Wenus, Księżyca (prawidłowo rozpoznał formy ukształtowania terenu) oraz zauważył, że Saturn jest wydłużony (jego teleskop był zbyt mały by oddzielić pierścień peśce od tarczy ac ypa planety). ey) Odkrycie teleskopu należałoby przypisać raczej trzem innym osobom: Janowi Lippershey, Zachariaszowi Janssen (obydwaj byli wytwórcami okularów) oraz Jakubowi Adrianszoon. Trzeba znów podkreślić ogromny wpływ Alhazana, którego działalność uznać można za początek astronomii teleskopowej. Optyka w XVII wieku: Kartezjusz Kartezjusz (fr. René Descartes, francuski matematyk, filozof i fizyk, jeden z najwybitniejszych uczonych XVII w., uważany za prekursora nowożytnej kultury umysłowej. Descartes uważał, że światło musi przypominać dźwięk. Opisywał więc światło jako zmiany ciśnienia w ośrodku (eter). Rysunki księżyca wykonane przez Galileusza Willibrord Snell Willebrord Snell (1580-1626) znany także jako Snellius lub Snel van Royen - holenderski astronom i matematyk. t Najbardziej znany ze swojego prawa załamania, sformułowanego na podstawie przeprowadzonych eksperymentów Christiaan Huygens Christiaan Huygens (1629-1695) - holenderski matematyk, fizyk oraz astronom Jego doświadczenia potwierdzały teorię o falowej naturze światła. Badał również zjawisko załamania światła w różnych materiałach, zauważył, że światło zwalnia po przejściu do ośrodka gęstszego. Objaśnił zjawisko polaryzacji i podwójnego odbicia. θ 1 n 1 n 2 θ 2 n i jest współczynnikiem załamania Prawo Snella: promienie padający i załamany oraz normalna do granicy ośrodków leżą w jednej płaszczyźnie, a kąty spełniają zależność: Zasada Huygensa: każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku. 7 8
Isaac Newton Sir Isaac Newton (1643-1727, 1642-1727 (jul.)), angielski fizyk, matematyk, astronom, o filozof, o historyk, badacz Biblii i alchemik. Pokazał, że pryzmat może rozszczepić białe światło w widmo barw, że soczewka i drugi pryzmat umożliwiają ponownie uzyskanie białego światła z kolorowego widma. Na tej podstawie wywnioskował, że każdy refraktor (teleskop soczewkowy) będzie posiadał wadę polegającą na rozszczepieniu światła (aberracja chromatyczna). Aby uniknąć tego problemu zaprojektował własny typ teleskopu wykorzystujący zwierciadło zamiast soczewki znany później jako teleskop Newtona (teleskop zwierciadlany). popierał koncepcję korpuskularną! Niektórzy uważają, że autorytet Newtona opóźnił rozwój teorii falowej światła o 100 lat 18th and 19th century Optics: Augustin Jean Fresnel (1788-1827) francuski inżynier i fizyk. Odkrył i wyjaśnił polaryzację kołową i eliptyczną światła; wytłumaczył zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji; zbadał zjawisko przechodzenia światła przez granicę dwóch dielektryków; opracował teorię dwójłomności kryształów i aberracji rocznej światła gwiazd; przeprowadził doświadczenia nad wpływem ruchu Ziemi na zjawiska optyczne, co stało się podstawą elektrodynamiki poruszających się ciał i szczególnej teorii względności. Porównanie grubości soczewek: Fresnela (1) i tradycyjnej (2) o takich samych ogniskowych Wiek XVIII i XIX: Thomas Young (1773-1829) angielski fizyk i lekarz fizjolog. Genialne dziecko (nauczył się czytać już w wieku 2 lat). Znał 14 języków. Miał swój wkład w rozumienie widzenia, światła, mechaniki, energii, fizjologii i egiptologii. Wychodząc z doświadczeń Malusa nad polaryzacją światła stwierdził, że fale świetlne są falami poprzecznymi. Na tej podstawie wytłumaczył powstawanie pierścieni Neptuna i znalazł jako pierwszy przybliżone wartości długości fal świetlnych. Young tłumaczył ugięcie światła jako efekt interferencji między falami światła przechodzącymi przez otwór (przedmiot) uginający, a falami odbitymi od brzegów. Schemat doświadczenia Younga James Clerk Maxwell James Clerk Maxwell (1831-1879) szkocki fizyk teoretyk i matematyk. Był autorem wielu wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki, kinetycznej teorii gazów, optyki i r teorii barw. r r r r B E= 0 E= t r r r r r 1 E B= 0 B= 2 c t Chyba nie można uniknąć wniosku, że światło polega na poprzecznym falowaniu tego samego ośrodka, który wywołuje zjawiska elektryczne i magnetyczne. E H H E H E H Z równań tych Maxwell wywnioskował, że zmienne pole elektryczne w wywołuje zmienne pole magnetyczne a zmienne pole magnetyczne wywołuje zmienne pole elektryczne. Zmiany te, to fala elektromagnetyczna, rozchodzą się z prędkością: Jest to prędkość światła. Fala elektromagnetyczna przewidziana przez Maxwella została odkryta przez H. Hertza w 1888. 9 10
Michelson & Morley Albert Abraham Michelson (1852 Strzelno, Kujawy, - 1931) amerykański fizyk. Własnoręcznie skonstruowanym interferometrem pokazał, że wzorzec metra (Paryż) jest równoważny 1 553 163,5 długości fal czerwonego światła kadmu (nagroda Nobla 1907r.) Wraz z Morlayem przeprowadził eksperyment dowodzący, że prędkość światła nie zależy od ruchu Ziemi (o wschodzie i o zachodzie światło napływa od Słońca z tą samą prędkością). Doświadczenie pokazało, że prędkość Ziemi względem eteru jest 0, co praktycznie dowodziło braku eteru. Negatywny wynik doświadczenia stał się doświadczalną podstawą teorii względności. ś Wiatr eteru wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca. Ziemia (jesień) Ziemia (wiosna) Albert Einstein Albert Einstein (1879-1955) 1955) jeden z największych fizyków-teoretyków naszych czasów, twórca szczególnej i ogólnej teorii względności, współtwórca korpuskularno-falowej teorii światła. Laureat Nagrody Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Einstein wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki. Einstein stworzył teorię (Szczególna Teoria Względności), w której: światło rozchodzi się w pustej przestrzeni (eter nie jest potrzebny) prędkość światła jest stała, niezależna od prędkości obserwatora, Światło jest jednocześnie falą i cząstką (teoria korpuskularno-falowa) W oddziaływaniu fotonów z atomami zapostulował istnienie emisji wymuszonej, zjawiska symetrycznego względem absorpcji fotonów przez atomy. Emisja wymuszona leży u podstaw działania laserów. Doświadczenie Michelsona-Morleya -eksperyment zaliczany obecnie do najważniejszych doświadczeń w historii fizyki. Cel: poprzez porównanie prędkości światła w różnych kierunkach względem Ziemi, wykazanie ruchu Ziemi względem hipotetycznego eteru. Eter przenikający całą przestrzeń, powinien pozostawać w spoczynku względem Wszechświata i powinien wyznaczać absolutny układ odniesienia. Prędkość światła powinna być stała względem tego ośrodka, a dla obserwatorów poruszających względem eteru prędkość światła powinna być równa różnicy wektorowej prędkości światła w ośrodku i prędkości obserwatora względem ośrodka. Michelson, po zapoznaniu się z pomysłami Maxwella, uznał, że do określenia prędkości wiatru eteru nie potrzeba wyznaczać prędkości światła, wystarczy porównać prędkość światła w różnych kierunkach. W interferometrze Michelsona: obraz interferencji zależy od różnicy czasu przebiegu obu wiązek miedzy płytką a zwierciadłami. Gdyby istniał wiatr eteru, wystarczyłoby obrócić interferometr, a układ prążków powinien przesuwać się. Ku swojemu zaskoczeniu nie wykrył ruchu prążków. Wynik doświadczenia był zdumiewający dla ówczesnych fizyków, powszechnie wątpiono w prawdziwość i dokładność pomiaru Light is, in short, the most refined form of matter. Louis de Broglie 11 12