1. Równanie fali elektromagnetycznej, długość fali, częstotliwość.

Równania Maxwella pola elektromagnetycznego dla ośrodka jednorodnego, izotropowego, nieprzewodzącego i pozbawionego źródeł pola elektr. i magnet.:

Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo (patrz rysunek). Wielkości te zależą od siebie. Czym większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza (oto wzór l=c/n , gdzie l długość fali, c prędkość fali, a n częstotliwość). Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali zmienia się, bo prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka. Wszystkie długości fali podane tutaj, odnoszą się do próżni.

Ilość energii niesionej przez światło jest odbierana przez oko jako natężenie światła, a częstotliwość promieniowania jako barwa.

2.      Transmitancja, gęstość optyczna i współczynnik absorpcji ośrodka.

Transmitancja - przepuszczalność- określa jaką część promieniowania została przepuszczona przez substancję.

TRANSMITANCJA ZALEŻY OD GRUBOŚCI PRÓBKI!

Gęstość optyczna - Gęstość optyczna dla materiałów przezroczystych to wielkość fizyczna równa logarytmowi dziesiętnemu stosunku intensywności światła padającego na badany materiał (I_p) do intensywności światła po przejściu tego materiału (I_k), zwana inaczej absorbancją lub ekstyncją:

Gęstość optyczna dla materiałów nieprzezroczystych to wielkość fizyczna równa logarytmowi dziesiętnemu stosunku intensywności światła odbitego do intensywności światła padającego na badany materiał.

Współczynnik absorbcji promieniowania k- NIE ZALEŻY od grubości próbki. Zależy od właściwości środowiska i zaabsorbowanej fali. (k=const)

3.      Współczynnik załamania i dyspersja ośrodka oraz ich pomiar.

Współczynnik załamania - wielkość charakteryzująca zjawisko załamania fali elektromagnetycznej, występująca w prawie Snelliusa. Współczynnik załamania pozwala określić kierunek biegu promieni załamanych. Współczynnik zależy od materiałów, a dla danych materiałów także od długości fali. Wyróżnia się:

• bezwzględny współczynnik załamania - równy stosunkowi prędkości światła w próżni do prędkości fazowej fali w danym ośrodku;

• względny współczynnik załamania - równy ilorazowi bezwzględnych współczynników załamania dwóch ośrodków.

Dyspersja ośrodka zależność współczynnika załamania od długości fali. W zakresie widzialnym współczynnik załamania rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości fali v (czyli zmniejszaniem się długości fali λ).

Dyspersja średnia: Współczynnik dyspersji ( liczba Abbego)

Δn = n_F - n_c
n_f - współczynnik załamania dla fioletowej linii wodoru

n_c - wsp. Zał. Dla czerwonej linii wodoru n_D - żółta linia sodu

Dyspersja normalna - współczynnik załamania maleje ze wzrostem długośći fali

Dyspersja anomalna - współczynnik załamania światła rośnie ze wzrostem długości fali.

4.      Zasada Fermata, prawo załamania, całkowite wewnętrzne odbicie

Zasada Fermata - droga przejścia światła (promienia) między A i B w przestrzeni jest zawsze drogą najkrótszego czasu.

Jeżeli wiązka pada na powierzchnię rozgraniczającą dwa różne ośrodki optyczne, to część tego światła ulega odbiciu, a reszta załamuje się na powierzchni i przechodzi do ośrodka drugiego.

Załamanie światła - prawa Snelliusa:

- Promień padający, załamany oraz prostopadła do płaszczyzny, przeprowadzona w punkcie padania, leżą w jednej płaszczyźnie.

- Stosunek sin kąta padania do sin kąta załamania = stosunkowi prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku pierwszym v₁ do prędkości światła w ośrodku drugim v₂.

Kąt załamania - kąt zawarty między kierunkiem promienia załamanego, a prostopadłą do powierzchni odgraniczającej oba ośrodki, przeprowadzoną w punkcie padania promienia.

Przy przejściu promienia świetlnego z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego, kąt załamania jest większy od k. padania. Przy przejściu promienia z ośrodka rzadszego do gęstszego odwrotnie - kąt załamania jest mniejszy od kąta padania.

Prawo odbicia - kąt padania równa się kątowi odbicia. Promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbijającej leżą w jednej płaszczyźnie zwaną płaszczyzną padania.

Całkowite wew. odbicie - Jeżeli na pow. graniczną rozdzielającą dwa ośrodki pada wiązka światła z ośr opt gęstszego pod kątem większym od kąta granicznego, to światło ulega całkowitemu wew odbiciu

5.      Powstawanie tęczy i halo słonecznego.

Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła na kroplach deszczu. Promień załamuje się na kropli wody a następnie opuszcza kroplę. Kąt graniczny równa się 42st. (widzimy ją zawsze pod kątem 42 st.) Nie jest to zjawisko na niebie, tylko na naszym oku (na siatkówce).

Tęcza główna - są to promienie padające,

Tęcza wtórna - następuje dwukrotne odbicie w kropli.

Pod tęczą - promienie mniejsze od granicznego (jest jaśniej),

nad tęczą - promienie większe od granicznego (jest ciemniej).

Warunki widzenia tęczy:

za nami Słońce, przed nami deszcz, kąt 42
.

Halo słoneczne

Kiedy mamy pozornie czyste niebo wokół Słońca powstaje otoczka w kształcie tęczy.

W stratosferze mamy mikroskopijne kryształki (cząsteczki lodu) na powierzchni których rozszczepiają się promienie słoneczne. Halo widzimy pod kątem 22
.

6.      Właściwości refrakcyjne pojedynczej powierzchni sferycznej oraz soczewki cienkiej.

Pojedyncze powierzchnie sferyczne rozdzielające dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania mogą mieć własności:

1. skupiające (powierzchnia wypukła dla n₂>n₁ lub wklęsła dla n₁>n₂)

2. rozpraszające (powierzchnia wklęsła dla n₂>n₁ lub wypukła n₁>n₂).

7.      Soczewka gruba, układ soczewek, płaszczyzny główne, moc optyczna.

8.      Aberracje układów optycznych.

Aberracje układów optycznych, wady układów optycznych, niedoskonałości układów optycznych, powodujące zniekształcenia, zabarwienia lub nieostrość obrazów.

Występują aberracje chromatyczne oraz aberracje geometryczne zależne od kształtu, materiału oraz sposobu jego oświetlenia.

Aberracja chromatyczna

przejawia się różnym miejscem ogniskowania się promieni o różnej długości fali. Niebieskie światło, ze względu na większą energię, załamuje się w szkle mocniej niż światło czerwone). aberracja chromatyczna: podłużna i poprzeczna.

Aberracja geometryczna

charakteryzuje się niedokładnością odwzorowania obrazów w świetle monochromatycznym. zależy od kształtu soczewek i zwierciadeł, od ich układów oraz od geometrii oświetlenia. aberracja geometryczna: abberacja sferyczna, - koma, - astygmatyzm, - krzywizna pola obrazu - dystorsja.

Aberracja sferyczna

przejawia się różnym miejscem ogniskowania się promieni wchodzących do soczewki w różnej odległości od jej centrum (osi optycznej). Widać wyraźnie, że promienie przechodzące daleko od osi optycznej ogniskują się bliżej soczewki (zwierciadła), a te wpadające do obiektywu blisko jego środka daleko od soczewki (zwierciadła).

Koma (pozaosiowa aber. sfer.)

związana z zniekształceniami promieni wchodzących do obiektywu przy jego brzegu i pod kątem do osi optycznej. Na krańcach pola widzenia odkształca ona punktowe obrazy, które przyjmują kształt przecinka lub litery "V".

Obiektywy pozbawione oby tych wad nazywamy aplanatami.

Astygmatyzm odwzorowywanie pozaosiowych punktów nie jako punktów, a jako prostopadłych do siebie linii, leżących w przesuniętych względem siebie płaszczyznach. Daje obraz nieostry i zniekształcony. Prościej: polega na powstawaniu ognisk w różnych miejscach dla różnych przekrojów południkowych.

Dystorsja różne powiększenie obrazu w zależności od jego odległości od osi optycznej instrumentu (zmieniająca się ogniskowa obiektywu lub okularu w zależności od odległości od osi optycznej), co powoduje powstawanie wyraźnych zniekształceń obrazu na brzegu pola widzenia. Układy ze skorygowaną dystorsją nazywamy układami ortoskopowymi.

9.         Mikroskop, lunety, teleskopy - budowa, właściwości.

Mikroskop

W konstrukcji mikroskopu są połączone dwa układy: optyczny i mechaniczny. Układ optyczny składa się z dwóch splecionych ze sobą części oświetleniowej i powiększającej. Jeden służy do optymalnego oświetlenie obserwowanego obiektu. Drugi do dwustopniowego powiększenia jego obrazu. Układ mechaniczny ma zapewniać właściwe położenie poszczególnych elementów układu optycznego.

Luneta, przyrząd optyczny w formie rury zakończonej z jednej strony obiektywem refrakcyjnym (tj. soczewkowym), a z drugiej strony okularem.

Wyróżnia się tzw. lunety ziemskie (dające obraz prosty: posiadające optyczny układ odwracający i okular skupiający albo posiadające tylko okular rozpraszający, tj. lunety galileuszowskie lub inaczej holenderskie) oraz lunety astronomiczne (inaczej keplerowskie, od nazwiska J. Keplera) dające obraz odwrócony.

Pierwszą lunetę skonstruował optyk holenderski Z. Jansen w 1604. W 1609 Galileusz wykorzystał lunetę do obserwacji astronomicznych. Zbudowana była z jednosoczewkowego obiektywu (soczewka skupiająca) i okularu będącego soczewką rozpraszającą.

Powiększenie kątowe p dla prostej lunety (zarówno galileuszowskiej, jak i keplerowskiej) wyraża się wzorem: p=f_b/f_k, gdzie: f_b - ogniskowa obiektywu, f_k - ogniskowa okularu. Powiększenie lunety nie może być zwiększane dowolnie przez zastosowanie okularów o coraz krótszych ogniskowych. Warunkuje je zdolność rozdzielcza obiektywu ograniczona zjawiskami dyfrakcyjnymi (dyfrakcja fal) zależnymi od wielkości źrenicy wejściowej d.

Obiektyw może rozróżniać dwa przedmioty, gdy różnica kąta ich obserwacji wyraża się wzorem: Δψ ≥1,22λ/d, gdzie: λ - długość fali (kryterium J.W. Rayleigha). W praktyce stosuje się wyrażenie Δψ ≥140"/d, gdzie d wyrażone jest mm (" oznacza sekundy łuku).

(więcej w telekopie)

Teleskop - przyrząd optyczny złożony z dwóch elementów optycznych: obiektywu i okularu (teleskop soczewkowy) lub z okularu i zwierciadła (teleskop zwierciadlany) połączonych tubusem. Służy do powiększania odległych obrazów. Zarówno teleskop soczewkowy, jak i teleskop zwierciadlany dają obraz rzeczywisty powiększony, odwrócony (soczewkowy). Buduje się wiele rodzajów teleskopów od prostych przyrządów optycznych służących do obserwacji krajobrazu po złożone urządzenia służące w astronomii (głównie teleskopy zwierciadlane, np. teleskop Hubble'a).

Teleskop optyczny umożliwia otrzymywanie wiernego (zarówno pod względem rozmieszczenia przestrzennego szczegółów, jak i rozkładu jasności), możliwie najjaśniejszego obrazu badanego wycinka nieba lub obiektu astronomicznego. Zastosowanie w teleskopie zwierciadeł lub soczewek o dużej średnicy umożliwia wychwycenie rozproszonego światła pochodzącego od odległych obiektów dzięki czemu możliwa jest obserwacja lub rejestracja fotograficzna nawet bardzo słabo widocznych obiektów. Użycie teleskopu umożliwia również znaczne zwiększenie zdolności rozdzielczej, dzięki czemu stają się rozróżnialne obiekty (np. składniki gwiazdy podwójnej), które nieuzbrojonym okiem są widoczne jako pojedynczy obiekt. Powstający na powierzchni ogniskowej obraz może być zarejestrowany na kliszy fotograficznej, za pomocą detektora CCD współpracującego z komputerem lub przez inne przyrządy, np. fotometry, spektrografy, umieszczone w tej płaszczyźnie lub w innym miejscu, do którego promieniowanie z płaszczyzny ogniskowej zostanie doprowadzone przez odpowiednie układy optyczne. W zależności od tego, czy do skupienia dających obraz promieni wykorzystuje się zjawisko załamania czy odbicia, teleskopy dzielą się na refraktory i reflektory (jak również teleskopy złożone wykorzystujące zarówno soczewki jak i zwierciadła). Do obserwacji fotograficznych nieba używa się teleskopów, w których zwierciadło główne jest sferyczne, a wady optyczne obrazu są zmniejszone przez umieszczenie na drodze wiązki promieniowania asferycznej (w teleskopie zwanej kamerą Schmidta) lub wypukło-wklęsłej soczewki (menisku) w teleskopie zwanej kamerą Maksutowa soczewki korygującej. Elementy optyczne teleskopu są zwykle montowane tak, by mogły obracać się wokół 2 osi. W montażach paralaktycznych jedna z osi skierowana jest na biegun nieba (oś rektascensji, godzinna), a druga jest prostopadłej do niej (oś deklinacji). Specjalny mechanizm zegarowy z napędem obraca teleskop wokół osi rektascensji, kompensując pozorny ruch obrotowy nieba, dzięki czemu teleskop „patrzy” podczas obserwacji cały czas na badany obiekt.

10.       Bieg światła przez pryzmat i płytkę płasko-równoległą, podstawowe zależności.

???

11.       Elementy optyczne z przestrzennym rozkładem współczynnika załamania, właściwości obrazujące.

Elementy optyczne: pryzmat, soczewka skupiająca, soczewka rozpraszająca, lupa, mikroskop

??

12.       Rozkład Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego, prawo Stefana Boltzmana i reguła przesunięć Wiena. Temperatura barwowa ciał.

Ciało doskonale czarne - całkowicie pochłania padające promieniowanie.

Wg Planck'a ciało nie promieniuje energii ciągłej tylko skwantowaną w postaci fotonów.

E=hv. Dla różnych długości fali wypromieniowuje różne wartości energii.

Prawo przesunięć Wiena - im temperatura ciała doskonale czarnego jest większa tym długość fali dla maksymalnej emisji nam maleje.

Prawo Stefana Boltzmana całkowita energia wypromieniowana przez ciało doskonale czarne jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury.

Temperatura barwowa ciał to temperatura jakiej odpowiada promieniowanie tego ciała. Każde ciało promieniuje promieniowaniem elektromagnetycznym, bo ma jakąś temperaturę.

13.       Omówić budowę układu optycznego oka, rogówka, soczewka oczna i ich właściwości.

Rogówka ma kształt wycinka kuli, najcieńsza jest w centrum i jej grubość wynosi 0,6 mm, natomiast obwodowo przy rąbku około 1 mm. Część centralna rogówki, o średnicy 4 mm, jest bardzo regularna i kulista, i nazywa się częścią optyczną. Rogówka zbudowana jest z pięciu warstw: nabłonka, blaszki granicznej przedniej (błona Bowmana), istoty właściwej (miąższu), blaszki granicznej tylnej (błony Descemeta) oraz najgłębiej położonego śródbłonka. Poza funkcją ochronną, rogówka bierze udział w załamywaniu promieni świetlnych. Stanowi główną część układu optycznego oka, a siła łamiąca rogówki wynosi 42 dioptrie. Film łzowy odżywia i utlenia rogówkę, wygładza jej powierzchnię, nawilża ją i zawiera bakteriobójczy lizozym. Kształt rogówki jest asferyczny co powoduje znaczne korygowanie aberracji sferycznej oka.

Soczewka zawieszona między tęczówką a ciałem szklistym na obwódce rzęskowej. Składa się z torebki, kory i jądra, ma dwie wypukłe powierzchnie - przednią i tylną.

Soczewka oczna charakteryzuje się różnymi wartościami współczynnika załamania w zależności od jej warstwy. w częściach zewnętrznych wynosi 1.33, a w centrum 1.4. Mięsień utrzymujący soczewkę może napinać się w różnym stopniu. Dzięki temu soczewka w zależności od tego czy przedmiot znajduje się blisko czy daleko staje się bardziej wypukła lub bardziej płaska.

14.       Czopki i pręciki na siatkówce oka, rozkład przestrzenny i struktura, zdolność rozdzielcza oka.

Siatkówka wrażliwa na światło. Najważniejszymi komórkami siatkówki są receptorowe: czopki i pręciki.

Pręciki odpowiedzialne są za widzenie nocne, jest ich około 100mln, bardzo wrażliwe na natężenie światła, są w stanie wychwycić jeden foton. Pozwalają widzieć w odcieniach szarości przy słabym oświetleniu. brak powoduje kurzą ślepotę - zaburzenia widzenia przy słabym oświetleniu.

Czopki odpowiedzialne za widzenie dzienne, jest ich około 7mln. Są mniej czułe na natężenie światła niż pręciki. Pozwalają widzieć w kolorach przy dobrym oświetleniu. Zawierają trzy rodzaje barwników o trzech różnych widmach absorpcji. Rozróżnia się trzy rodzaje czopków:

- 65% to czopki czerwone

- 33% to czopki zielone

- 2% to czopki niebieskie

Czopki i pręciki są ustawione do siebie tyłem aby nie prześwietlić oka. Rozkład na siatkówce jest nierównomierny. W dołku środkowym są jedynie czopki. W miarę oddalania się od dołka środkowego maleje gęstość czopków a rośnie gęstość pręcików.

Zdolność rozdzielcza charakteryzuje każdy układ i jest definiowana jako najmniejsza odległość dwóch punktów „widzianych” jeszcze oddzielnie. Zdolność rozdzielcza oka jest największa w dołku środkowym i wynosi około 1 minuta kątowa.

Kątowa zdolność rozdzielcza układu optycznego oka:

18.       Funkcja przenoszenia w układach koherentnych i niekoherentnych.

Miarą kontrastu jest współczynnik γ
, gdzie I max i Imin - natężenie światła w najjaśniejszych i najciemniejszych miejscach przedmiotu. Współczynnik przenoszenia kontrastu przez układ optyczny można określić jako H=
.

Współczynnik H zależy od częstości przestrzennych ω_x,ω_y; nosi on nazwę funkcji przenoszenia kontrastu lub funkcji przenoszenia modulacji H(ω_x,ω_y).

Przedmiot oświetlony, czyli sygnał optyczny na wejściu do układu optycznego charakteryzuje się także rozkładem fazy. Zatem oprócz przenoszenia kontrastu trzeba także brać pod uwagę funkcję przenoszenia fazy, Ψ=Ψ(ω_x,ω_y). Tak więc funkcja H( ω_x,ω_y) = H(ω_x,ω_y)e^jΨ(ωx,ωy) jest pełną funkcją przenoszenia danego układu optycznego.

Funkcje przenoszenia układu optycznego można wyznaczyć z porównania rozkładu natężenia światła przedmiotu i obrazu (w wypadku oświetlenia niespójnego) lub rozkładu amplitud i faz pola świetlnego przedmiotu i obrazu (w przypadku oświetlenia spójnego).

Układy optyczne różnią się swym działaniem - zależnie czy użyto źródła światła spójnego czy niespójnego (koherentnego czy niekoherentnego). Chodzi tu nie tylko o spójność czasową, lecz także o spójność przestrzenną, czyli występowanie stałej różnicy faz w całym przekroju wiązki oświetlającej przedmiot na wejściu układu optycznego. Dla uproszczenia mówi się o koherentnych i niekoherentnych układach optycznych. Różnica między tymi układami ujawnia się wyraźnie w ich zdolności rozdzielczej.

Jeśli różnica faz jest równa 90 stopni, to rozkład jest taki jak przy oświetlaniu niespójnym; jeśli różnica to 0 stopni, zdolność rozdzielcza jest mniejsza niż przy oświetlaniu niespójnym, jeśli zaś różnica wynosi 180 stopni, zdolność jest większa.

sama zdolność rozdzielcza nie decyduje który tym oświetlania jest lepszy. Zalety oświetlania spójnego ujawniają się przy zapisie pełnej informacji o sygnale świetlnym (amplitudy i fazy), przy filtracji częstości przestrzennych itd.

19.       Interferencja światła koherentnego, kontrast prążków interferencyjnych

Szczególną cechą fali jest zdolność do interferencji. sposób dodawania się fal polega na tym, że wynik zależy nie tylko od amplitud, ale także faz interferujących fal. Rozpatrując przypadek fal interferujących warto zauważyć, że natężenie światła w punkcje obserwacji nie zależy tylko od natężenia światła każdej z fal składowych, ale także od różnicy odległości punktu obserwacji od obu źródeł światła. Ten `dziwny sposób' dodawania się jest właśnie istota interferencji.

Kiedy interferują ze sobą fale o dwóch różnych amplitudach, natężenie fali można wyliczyć ze wzoru, tzw. Podstawowy wzor interferencyjny.

I= I1+I2+2

Przy obserwacji zjawiska interferencji wprowadza się pojęcie spójności (koherencji) fal biorących udział w nakładaniu się lub, mówiąc inaczej interferowaniu ze sobą. Obserwując obrazy fal drgających z dwóch rożnych źródeł , jednak ze stalą częstością, zauważymy ze w wyniku interferencyjnego dodania się dwóch fal w niektórych punktach przestrzeni natężenie światła osiągnie wartość maksymalną, większą niż algebraiczna suma natężeń. Są to maksyma interferencyjne. Znajdują się one w punktach, gdzie:

k(r2-r1)=2πm m=±0,±1,±2,….

Jasne prążki interferencyjne łączą punkty, w których rząd interferencji jest całkowity. Punktu w których rząd interferencji jest połówkowy, łączą ciemne prążki interferencji (minima interferencyjne):

r2-r1=mλ m=±0,± ½, ± 3/2,….

Gdy jednak wytwarzane są drgania o różnej częstości lub gdy wytwarzane są w sposób przypadkowy, powstały ruch falowy nie wykazuje żadnych cech regularności.

20.       Prążki równej grubości i równego nachylenia, przykłady zastosowań

Prążki równej grubości powstają jako różnica dróg optycznych warstwy powietrza miedzy płytkami zmiennej grubości h_m. gdy jedna powierzchnia jest wzorcowo płaska, można wtedy zmierzyć zmienną grubość h_m, a zatem i kształt drugiej powierzchni. Promienie odbite od sprawdzianu i płytki zostają skupione przez soczewkę w źrenicy obiektywu, i tworzą prążki interferencyjne, będące odwzorowaniem mierzonej płaszczyzny π w nowej płaszczyźnie π'.

Przy obserwacji prążków równej grubości wykorzystujemy zjawisko interferencji światła odbitego.

LUB

prążki interferencyjne, na przemian ciemne i jasne pasma powstałe w wyniku interferencji wiązek światła przebywających różne drogi opt.

Prążki jednakowego nachylenia. Światło pada na cienką warstwę o stałej grubości. Kąty padania są zmienne, ale każda fala padająca dzieli swoją energię między falę odbitą od górnej powierzchni warstwy i odbitą od dolnej granicy warstwy. Jeśli warstwa jest cienka i różnica dróg optycznych tych dwóch promieni jest mniejsza od drogi spójności, to zachodzą warunki do obserwacji interferencji w zwykłym świetle słonecznym. Ponieważ promienie te są do siebie równoległe, to obserwujemy obraz interferencyjny w płaszczyźnie ogniskowej za pomocą soczewki skupiającej. Dla układu z soczewką równoległą do warstwy będą to współśrodkowe okręgi na ekranie odpowiadające stałemu kątowi padania światła na warstwę. Przy innym ułożeniu soczewki i ekranu będą to krzywe stożkowe.

różnica dróg optycznych między promieniami, odbitymi obu powierzchni płytki:

Prążki jednakowej grubości. Światło pada pod stałym kątem na cienką warstwę w kształcie klina. Można pokazać, że promienie fali odbitych od górnej i dolnej powierzchni klina przetną się w pewnym punkcie nad klinem. wstawiając ekran w odpowiednie miejsce nad klinem zaobserwujemy prążki interferencyjne w formie równoodległych pasków. Sąsiednie ciemne prążki odpowiadają warunkowi interferencji destruktywnej (wygaszeniu) dla dwóch kolejnych minimów. Można pokazać, że im mniejszy jest kąt klina tym większa odległość między prążkami. Prążki w miarę wzrostu odległości od wierzchołka klina tracą na kontraście i w pewnej odległości od niego przestają być widoczne. Podobne zjawisko występuje gdy zwiększamy kąt klina.

Zastosowanie: monitory, ekrany LCD,

21.       Warstwy przeciwodbiciowe, zasada działania, zastosowania

Powłoka antyrefleksyjna składa się z licznych bardzo cienkich warstw, które są nakładane na szkła w warunkach wysokiej próżni i sterylności. Fizyczne właściwości powłok antyrefleksyjnych zostały tak obliczone, że odbite promienie światła są wytłumiane i wzajemnie wygaszane. Im wyższa jest jakość powłok tym antyrefleks jest bardziej skuteczny. Pokrycie szkła specjalnymi warstwami ogranicza odbijanie światła do 1% równocześnie zwiększając przepuszczalność światła do 98%. Im większa jest różnica współczynników załamania światła ośrodków przez które przechodzi światło tym więcej promieni ulega odbiciu. Aby zmniejszyć straty światła na granicy pomiędzy powietrzem, a szkłem okularowym zastosowano powłoki antyrefleksyjne. Posiadają one współczynnik załamania światła o wartości pośredniej pomiędzy szkłem a powietrzem. Dzięki temu udaje się zwiększyć przezierność szkła okularowego z ok.92% do 99%.

Warstwy przeciwodbiciowe znalazły zastosowanie w pokrywaniu szkła np. okularów, ekranów monitora komputerowego, szyb, witryn sklepowych, w celu zapewnienia lepszej widoczności i zmniejszania powstawania odblasków. Eliminują wewnętrzne odbicia światła, podnoszą komfort widzenia, ostrość obrazu szczególnie w złych warunkach pogodowych, eliminują odbicia świetlne (efekt lustrzany) dla patrzącego z zewnątrz i fałszywe obrazy dla noszącego okulary. Dzięki twardej powłoce szkło jest odporne na uszkodzenia mechaniczne i wpływ substancji chemicznych.

22.       Najważniejsze typy interferometrów i ich zastosowania

Interferometry optyczne wykorzystują zjawisko interferencji fal. Ich zasada działania polega na rozdzieleniu wiązki światła za pomocą odpowiedniego urządzenia na dwie lub więcej wiązek spójnych, które po przebyciu różnych dróg optycznych interferują ze sobą. Otrzymane w ten sposób prążki interferencyjne są źródłem wielu informacji. Mogą one służyć do pomiarów długości fal linii widmowych i ich struktury, do pomiarów kątowych gwiazd jak i do kontroli odkształceń stanu powierzchni.

• Interferometr Michelsona

Michelson zmierzył długość wzorca metra przechowywanego w Paryżu, wyrażając ją liczbą długości fal pewnego monochromatycznego światła.

Monochromatyczne światło wpada do układu i rozdziela się na dwie wiązki na półprzepuszczalnym zwierciadle. Na końcu obu ramion znajdują się zwierciadła, które zawracają bieg promieni. Jedno ze zwierciadeł dodatkowo jest ruchome i za jego pomocą zmienia się drogę optyczną jednej z wiązek w celu ustawienia interferometru. Po odbiciu obie wiązki padają ponownie na półprzepuszczalne zwierciadło, gdzie biegną już w jednym kierunku i interferują ze sobą.

• Interferometr Twymana-Greena

Służy do badania elementów optycznych oraz całych układów optycznych. Zbudowany z dwóch ramion. Na jednym umieszcza się badany element, a na drugim lustro odbijające porównawczą wiązkę światła. Wszelkie niejednorodności i niedoskonałości badanego elementu powodują powstanie prążków interferencyjnych uzyskanych z superpozycji wiązki porównawczej z wiązką, która przeszła przez element. Jeżeli badany element optyczny pozbawiony jest jakichkolwiek niedoskonałości, wówczas obie wiązki światła są dokładnie zgodne w fazie i obraz jest jednolity - bez jakichkolwiek wzmocnień i osłabień.

• Interferometr Macha-Zehndera

Promień świetlny padający rozdzielany jest układem luster na dwa promienie, z których każdy przechodzi przez interferometr inną drogą. Następnie oba promienie ponownie spotkają się na wyjściu układu. Obraz interferencyjny oglądany na ekranie zależy od różnicy faz obu promieni, a zatem jest on czuły na najdrobniejsze detale, które mogą wpływać na różnicę dróg optycznych pomiędzy ramionami interferometru.

Służy do badania elementów, bada jak współczynnik załamania zależy od temperatury.

• Interferometr Sagnaca

Światło pada na płytkę półprzepuszczalną i rozdziela się na dwa promienie, które propagują po tej samej drodze lecz przeciwnych kierunkach. Pojawia się tutaj różnica dróg optycznych, mierzymy różnice faz. Przy jego pomocy można wyznaczyć obrót poruszających się pojazdów, a także stosuje się w samolotach jako precyzyjny żyroskop.

• Interferometr Fabry-Pérot

Płytka szklana ograniczona zwierciadłami częściowo przepuszczalnymi. Współczynnik odbicia powinien być wysoki ok. 80%-90%. Światło wchodzi, część się odbija, wraca i wychodzi. Natężenie światła przechodzącego przez interferometr Fabry-Perota zależy od kąta padania promienia. Używany jest do dokonywania analizy spektralnej promieniowania. Może służyć jako wnęka rezonansowa lasera.

23.       Zasada działania lasera, właściwości promieniowania laserowego, rezonator Fabry-Perota

Zastosowanie laserów:

-technologia materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
-precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.;
-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;
-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);
-zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;
-technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania);
-holografię;
-technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).

Typy laserów:

- Laser helowo-neonowy

- Laser kryptonowy i ksenonowy

- Laser argonowy

- Laser neodymowy

- Laser molekularny

- Laser barwnikowy

- Laser półprzewodnikowy

- „Laser barwnikowy”

Lub

Laser - wzmocnienie światła wskutek zjawiska emisji wymuszonej.

Właściwości promieniowania laserowego:

• Rozbieżność (równoległość) wiązki

• Pasmo spektralne

• Gęstość mocy

• Spójność (koherencja)

Mody podłużne - różnica częstości między sąsiednimi modami.

Mody poprzeczne - emisja spontaniczna, emisja wymuszona, absorpcja,

Warunki uzyskania akcji laserowej:

1. Obstawanie stanów metastabilnych w materiale.

2. Pompowanie do stanów metastabilnych poprzez absorpcje.

3. Uzyskiwanie inwersji obsadzeń, nienaturalny stan, ponieważ trzeba włożyć energię do ośrodka, aby więcej było elektronów wzbudzonych tzw. „napompowanie”

4. Emisja wymuszona. Jak foton spotyka atom w stanie podstawowym to może on go wzbudzić, a jak foton spotyka atom w stanie wzbudzonym to mamy emisje spontaniczną i powstaje identyczny foton.

5. Optyczne sprzężenie zwrotne. Trzeba te napompowane medium włożyć do rezonatora FP i stanie się emisja spontaniczna w kierunki osi optycznej, tam współczynnik odbicia jest wysoki, większość odbije się w wraca z powrotem. Wzdłuż osi optycznej ciągle dostarczamy energie i on świeci w sposób ciągły.

Interferometr Fabry - Perota może służyć jako wnęka rezonansowa lasera. Zwykle w rezonatorach laserowych jedno ze zwierciadeł jest całkowicie odbijające a drugie częściowo przepuszczalne (transmisyjne) umożliwiające wyprowadzenie promieniowania laserowego na zewnątrz rezonatora. Dla zachowania tej samej fazy musi być spełniony warunek 2L=mλ, co oznacza, że między zwierciadłami rezonatora musi się zmieścić całkowita liczba półfal m:

                                                                        

Wtedy w rezonatorze powstanie fala stojąca, a jej częstotliwość jest jedną z nieskończenie wielu częstotliwości rezonansowych rezonatora odpowiadającym różnym wartościom m. Otrzymuje się wtedy podłużne (poosiowe) rodzaje drgań rezonansowych zwanymi modami podłużnymi lub poosiowymi rezonatora.

24.       Związek pomiędzy monochromatycznością i koherencją czasową światła

Spójność czasowa - określa zdolność do interferencji w danym punkcie przestrzeni dwóch fal świetlnych wychodzących z tego samego źródła światła i biegnących w tym samym kierunku, lecz w różnych chwilach czasu.

Monochromatyczność (mono - jeden, chroma - kolor) określenie promieniowania elektromagnetycznego złożonego z dokładnie jednej częstotliwości (długości fali). W rzeczywistości tak dokładnego promieniowania uzyskać nie można (widmo nigdy nie będzie dokładnie jednym prążkiem).

Określenie zwykle odnosi się do promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym i zbliżonym do widzialnego, jednak może opisywać każdą częstotliwość. Urządzeniem wytwarzającym promieniowanie monochromatyczne jest na przykład laser.

Potocznie promieniowanie w zakresie widzialnym, o charakterze zbliżonym do monochromatycznego nazywane jest barwą prostą.

25.       Polaryzacja fali elektromagnetycznej, sposoby opisu, dwójłomność kryształów

Polaryzacja to własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo.

W fali elektromagnetycznej drgającymi wielkościami fizycznymi są wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji elektrycznej D oraz wektor natężenia pola magnetycznego H i wektor indukcji magnetycznej B. Jednak wrażenia świetlne wywołuje tylko składowa elektryczna fali elektromagnetycznej.

Sposoby opisu:

Równanie płaskiej fali spolaryzowanej otrzymuje się z równań Maxwella. W najprostszym przypadku fali harmonicznej, rozchodzącej się wzdłuż osi Oz ma ono postać:

Ex = Eox cos(ωt - 2π
)

Ey = Eoy cos(ωt - 2π
+δ)

Gdzie Eox, Eoy - amplitudy rzeczywiste składowych Ex i Ey wektora E, δ- początkowa różnica faz, z - odległość, λ - długość fali, t - czas, ω - częstość kołowa.

Ciała dwójłomne, inaczej mówiąc optycznie anizotropowe, to takie, w których właściwości optyczne zależą od propagacji fali świetlnej. Należą do nich:

- kryształy z wyjątkiem kryształów należących do układu regularnego,

- ciekłe kryształy - niektóre roztwory, - niektóre uporządkowane zawiesiny.

Dwójłomność kryształów oznacza, że ich współczynnik załamania światła zależy od kierunku drgań wektora elektrycznego fali świetlnej względem osi optycznej cienkiej warstwy kryształu.

LUB

Jeżeli drgania pola elektrycznego są w jednym kierunku to taką falę nazywamy spolaryzowaną liniowo (światło może być jeszcze spolaryzowane kołowo lub eliptycznie), jeśli drgania są w różnych kierunkach to niespolaryzowaną.

Urządzenia - polaryzatory. Wykorzystują one jeden z trzech podstawowych sposobów polaryzacji światła. polaryzator przepuszcza tylko te fale, które mają kierunek drgań pola elektromagnetycznego zbliżony do kierunku wyznaczanego przez szczeliny polaryzatora, pozostałe fale są zatrzymywane.
Naturalnymi polaryzatorami występującymi w przyrodzie są kryształy dwójłomne, np. kalcyt (szpat islandzki). Promień światła padający na taki kryształ ulega podwójnemu załamaniu i rozdziela się na dwa promienie, załamujące się pod różnymi kątami zwane promieniem zwyczajnym i nadzwyczajnym. Obydwa te promienie są spolaryzowane, ale w płaszczyznach do siebie prostopadłych.

W praktyce stosuje się układy pryzmatów wykonanych z materiałów dwójłomnych, które albo rozdzielają wiązkę zwyczajna i nadzwyczjaną (pryzmaty polaryzujące dwuwiązkowe) lub wydzielają jeden ze spolaryzowanych promieni (pryzmaty jednowiązkowe).

Dwójłomność Po oświetleniu wiązką światła jednorodnego można zaobserwować dwa promienie światła. Oba z nich spełniają prawo załamiania światła, jednak załamanie to odbywa się z innym współczynnikiem. Różnice we współczynnikach załamania światła wynikają z faktu różnej polaryzacji wiązki światła padającego na kryształ. Można to wytłumaczyć zakładając iż substancja dwójłomna ma różne współczynniki przenikalności dielektrycznej ε zależnie od płaszczyzny drgania fali elektromagentycznej. Przykłady substancji dwójłomnych: beryl, kalcyt, lód, kwarc, rubin, szafir, azotan sodu.

26.       Obicie i załamanie fali spolaryzowanej, wzory Fresnela

Zachowanie się fali świetlnej na granicy dwóch ośrodków opisują dwa prawa: prawo odbicia i załamania światła. fale, które ulegną odbiciu kąt padania jest zawsze równy kątowi odbicia.

Kątem padania nazywa się kąt, który został zawarty między normalna do powierzchni a promieniem padającym. Natomiast kąt między promieniem odbitym a normalną do powierzchni to kąt odbicia.

Wzory Fresnela stanowią związki między amplitudami pola fali padającej, odbitej i załamanej. Wzory te wynikają z warunków nakładanych na pole elektromagnetyczne na granicy dwóch dielektryków. Do warunków tych należy równość składowych stycznych wektorów natężenia pól i , a także równość składowych normalnych wektorów i po obu stronach granicy rozdziału ośrodków. Na granicy dwóch dielektryków wielkości sił stycznych pola elektrycznego i magnetycznego nie doznają skoku (zmieniają się w sposób ciągły). Składowa normalna natomiast zmienia się skokowo.

Dla amplitud pola elektrycznego prostopadłego do płaszczyzny padania ( płaszczyzna wyznaczona przez promień padający, normalną oraz promień odbity lub załamany) odpowiednie związki mają postać:

W przypadku tym mówi się, że promień jest spolaryzowany w płaszczyźnie padania. Natomiast dla przypadku wektora pola elektrycznego równoległego do płaszczyzny padania są one:

Litery p, o oraz z odnoszą się odpowiednio do amplitudy fali padającej, odbitej oraz załamanej.

27.       Rodzaje polaryzatorów, prawo Malusa

1. Dwójłomne - odpowiednio wycinane kryształy optycznie aktywne (najczęściej kalcyt), tak, aby jedna z dwóch wzajemnie prostopadle spolaryzowanych grup promieni świetlnych była wygaszana w efekcie całkowitego wewnętrznego odbicia, a druga przepuszczana swobodnie. Do tej grupy należy polaryzator Nicola.

2. Wykorzystujących zjawisko dichroizmu - asymetrii (selektywności) pochłaniania. Niektóre kryształy mineralne i organiczne mają zdolność silnego pochłaniania jednej z dwóch grup wzajemnie prostopadle spolaryzowanych promieni, otrzymanych w wyniku podwójnego załamania. Np. turmalin (zabarwia światło na zielono i jest słabo przeźroczysty)

3. Obecnie powszechnie stosuje się filtry polaryzacyjne wykonane z polimerów (np. alkohol poliwinylowy), które pierwotnie uporządkowane, zostają w podwyższonej temperaturze rozciągnięte. Długie cząstki polimerów zostają uporządkowane wzdłuż linii rozciągnięcia. Taki polimer nasyca się substancją wykazującą zjawisko dichroizmu, która rozmieszcza się w polimerze również w sposób uporządkowany.

Prawo Malusa - prawo określające natężenie światła po przejściu przez polaryzator.

Natężenie światła spolaryzowanego liniowo po przejściu przez idealny polaryzator optyczny jest równe

• I₀ Natężenie światła padającego,

• θ_i kąt między kierunkiem polaryzacji światła padającego i wychodzącego z polaryzatora.

Gdy na idealny polaryzator pada światło niespolaryzowane, to światło spolaryzowane ma połowę natężenia światła padającego.

Zależność ta wynika z tego, że średnia wartość cos²θ jest równa 1/2.

28. Jak zbudowany jest światłowód, jakie zjawisko umożliwia propagacje światła w światłowodach

Światłowód jest to szklane włókno o zmiennym współczynniku załamania, wykorzystujące efekt całkowitego wewnętrznego odbicia. Światłowód zbudowany jest ze specjalnego rodzaju szkła kwarcowego. Główną częścią jest rdzeń, który okrywa płaszcz i warstwa ochronna.

Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Taka zależność zapewnia utrzymanie promienia światła cały czas we wnętrzu szklanego rdzenia, gdyż promień odbija się od płaszczyzny styku szkła z płaszczem w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia i biegnie dalej poprzez szkło, aż do przeciwległej jego ścianki, gdzie historia się znów powtarza.

29. Rodzaje światłowodów i ich najważniejsze zastosowania

Ze względu na strukturę światłowody dzielimy na włókniste, warstwowe, paskowe

Ze względu na ich tzw. strukturę modową

Jednodomowe (przenosi się tylko jeden mod. wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza. Wszystkie promienie mają jednakową drogę do przebycia i zajmuje to taki sam czas. nie powstaje dyspersja. Światłowody jednomodowe są lepsze. Umożliwiają transmisję danych bez ich wzmacniania na odległość do 100km.)

Wielodomowe (jest możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja.
Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów o różnej długości co powoduje zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, zmniejszenie prędkości i odległości transmisji.)

Ze względu na sposób zachodzenia zmian współczynnika załamania Skokowe, Gradientowe

Ze względu na rodzaj materiału: Szklane, Plastikowe, Półprzewodnikowe

Do najważniejszych zastosowań światłowodów należy:

Łącza telefoniczne, Telekomunikacyjna sieć w elektrowniach, Linie telekomunikacyjne wzdłuż linii energetycznych, Telewizja kablowa.

Rozgłośnie telewizyjne:

Zdalna kontrola i ostrzeganie, Medycyna, Endoskopia przemysłowa, Samochody, Pociski sterowane światłowodami.

Komputery

30 . Co to są okna trasmisyjne w światłowodach

• I okno transmisyjne - obejmuje fale w okolicy 0,85um, dość wysokie tłumienie powyżej 1dB/km. O atrakcyjności tego okna stanowi dostępność tanich źródeł światła, jednak zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu kilkunastu kilometrów.

• II okno transmisyjne - na fali l,3um, tłumienie około 0,4dB/km, zasięg transmisji od 75 do 100km.

• III okno transmisyjne - na fali l ,55um, tłumienie mniejsze niż 0,2dB/km, zasięg transmisji od 150 do 200km.

W pierwszym oknie transmisyjnym po jednym kilometrze zostawałaby tylko połowa początkowego natężenia światła, dla drugiego okna transmisyjnego 0.91, a dla trzeciego 0.94. Systemy pracujące w pierwszym oknie oparte są na włóknach wielomodowych, a ze względu na ich wysoka tłumienność stosowane są dla małych odległości transmisji, głównie lokalnych sieci komputerowych. Jako Drugie okno wykorzystywane jest zarówno w systemach wielomodowych, jak i jednomodowych. Są to systemy telekomunikacyjne lub zaawansowane technologie sieci komputerowych. W oknie trzecim pracują telekomunikacyjne systemy dalekosiężne oparte na włóknach jednomodowych.

---