Interferencja – zjawisko powstawania nowego, przestrzennego układu fali w wyniku nakładania się (superpozycji) dwóch lub więcej fal. Interferencja zazwyczaj odnosi się do interakcji fal, które są skorelowane lub spójne ze sobą, dlatego że pochodzą z tego samego źródła lub dlatego, że mają takie same lub prawie takie same częstotliwości. Interferencja fal spójnych daje stały przestrzennie rozkład amplitudy fali.

Interferometria jest dziedziną dostarczającą możliwości bezkontaktowego i nieinwazyjnego pomiaru wielkości nieelektrycznych przy wykorzystaniu interferencji światła białego. Metoda ta, ze względu na swoją prostotę i zarazem dokładność jest szeroko stosowana nie tylko do pomiarow obiektow lokalnych z dużą dokładnością, ale rownież do wyznaczania rozkładu danej wielkości fizycznej w przestrzeni. Jej głowną zaletą jest możliwość badania struktury obiektow o małym zrożnicowaniu, czyli po prostu dokładność.

Koherencja (spójność fal) – właściwość kilku fal wiązana pierwotnie ze zjawiskiem interferencji fal. Uznawano, że fale są spójne, jeśli w wyniku superpozycji fal składowych powstawał stały w czasie obraz interferencyjny.

Koherencja czasowa określa zdolność do interferencji w danym punkcie przestrzeni, dwoch fal świetlnych wychodzących z tego samego źrodła światła i biegnących w tym samym kierunku, lecz w rożnych chwilach czasu.

Koherencja przestrzenna jest wielkością charakteryzującą, zależność między fazami fal pola elektromagnetycznego w rożnych punktach przestrzeni w danym momencie czasu. Przy zaniku spojności rzestrzennej, zanika rownież obraz interferencyjny. „Przez spojność przestrzenną rozumiemy korelację między fazami promieniowania monochromatycznego emitowanego w dwoch rożnych punktach”

ŹRÓDŁO DROGA KOHERENCJI

Światło słoneczne (λ=0,4-0,8μm) 0,8μm

LED (λ=1μm, Δ λ= 50 nm) 20 μm

Wielomodowy laser He-Ne 20cm

Jednomodowy laser He-Ne 300m

Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali kulistej. Za przeszkodą fale nakładają się na siebie zgodnie z zasadą superpozycji. Przy spełnieniu pewnych warunków za przeszkodą pojawiają się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal (interferencja).

Laser pracuje jako wzmacniacz kwantowy dla światła, generator impulsowy lub ciągły spojnego i monochromatycznego promieniowania świetlnego. Jego poprzednikiem był maser5, czyli wzmacniacz kwantowy dla mikrofal generator impulsowy lub ciągły spojnego i monochromatycznego promieniowania mikrofalowego. Zasada działania opiera się na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach atomow, jonow lub cząsteczek doprowadzonych przez doprowadzenie do stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomow energetycznych.
Uproszczony schemat układ interferometru Michelsona mowi o biegu wiązek

przedmiotowej i odniesienia, ktore skutkują interesującym nas obrazem

interferencyjnym. Schemat ideowy przedstawia się następująco:

Przez apreturę wejściową przechodzi wiązka światła pochodząca ze źrodła spojnego w postaci lasera połprzewodnikowego. Na schemacie drogę wiązki reprezentuje jeden promień w. Wiązka przechodzi przez lunetę i zostaje poszerzona z zachowaniem rownoległości. Następnie pada pod kątem 45 stopni na płytkę światłodzielącą10 - zwierciadło połprzezroczyste oznaczane symbolem 50%, gdzie jest dzielona amplitudowo. Część wiązki – teoretycznie około 50% przechodzi przez nie bez załamania – tak zwana wiązka przedmiotowa (reprezentowana przez promień p), pozostała część wiązki ulega odbiciu. Wiązka odbita zwana dalej wiązką odniesienia o dociera do zwierciadła 100% Z1 (odbijającego całość wiązki) i odbija się od jego

powierzchni, przechodzi ponownie przez płytkę światłodzielącą i dociera do ekranu. W tym samym czasie wiązka, ktora uległa przejściu bez załamania, zwana dalej wiązką przedmiotową, dociera do zwierciadła 100% Z2, odbija się od jego powierzchni

i powracając ponownie przechodzi przez warstwę zwierciadła połprzezroczystego i dociera do ekranu. Od momentu ponownego przejścia do powierzchni ekranu obie wiązki winny przebiegać rownoległe drogi optyczne, a dokładniej winny się pokryć. Abydokładniej stwierdzić rownoległość wiązek, ekran należy umieścić w dużej odległości od interferometru, może nim być odległa ściana pomieszczenia laboratorium. Przy niewielkich odległościach trudno stwierdzić czy obie krotkie wiązki są idealnie rownolegle. W momencie zaobserwowania nawet wąskich prążkow interferencyjnych, można ekran przenieść w pobliże interferometru i dalej sterować zwierciadłami, aby otrzymać mniejszą liczbę prążkow interferencyjnych, ale za to szerszych.

Fotoemisja Zjawisko fizyczne polegające na opuszczeniu materiału przez elektron pod wpływem energii przekazanej mu przez padający foton. W metalach energia elektronu wybijanego przez foton jest określona wzorem:

gdzie: W - praca wyjścia (różnica energii odpowiadającej poziomowi Fermiego oraz energii elektronu w przestrzeni swobodnej), h- stała Plancka, v - częstotliwość fali elektromagnetycznej

Fotoprzewodnictwo - mechanizm związany z półprzewodnikami. Aby wyjaśnić to zjawisko konieczna jest znajomość struktury poziomów energetycznych w ciałach stałych. Najniższe pasmo energetyczne, które jest zapełnione w temperaturze zera bezwzględnego (0 K) nazywane jest pasmem walencyjnym. Wyżej znajduje się pasmo przewodnictwa. Elektrony w paśmie walencyjnym są związane z atomem i nie mogą przemieszczać się w półprzewodniku. Natomiast elektrony w paśmie przewodnictwa są w tzw. stanie „wolnym” i mogą poruszać się w materiale półprzewodnikowym, pod wpływem przyłożonego napięcia. Między pasmami walencyjnym i przewodnictwa istnieje przerwa energetyczna, lecz różnica energii jest na tyle mała, że fotony o odpowiednio dużej energii powodują przejście elektronów z pasma walencyjnego do przewodnictwa. Następuje więc wzrost przewodnictwa materiału proporcjonalny do liczby padających na niego fotonów.

Absorbcja termiczna - Zachodzi w przypadku, gdy fotony o długościach fali leżących w dalekiej podczerwieni pochłaniane w materii wzbudzają stany oscylacyjne i rotacyjne w cząsteczkach lub siatce krystalicznej, w których zostały pochłonięte. Zgodnie z prawem zachowania energii absorpcja fotonu w materiale wywołuje wzrost temperatury (w efekcie może to spowodować zmiany właściwości fizycznych materiału). Poprzez analizę tych zmian można stwierdzić, ile światła padło na detektor. Za absorpcję promieniowania w półprzewodniku są odpowiedzialne dwa mechanizmy. Jeden z nich związany jest z absorpcją fotonów na swobodnych nośnikach ładunku, natomiast drugi z absorpcją międzypasmową w półprzewodniku (tzw. Absorpcja podstawowa).

Schemat układu interferometru Macha-Zehndera. Jedna wiązka lasera biegnie drogą: laser-luneta-Z1- Z2-Z3-obraz interferencyjny, a druga laser-luneta-Z1-Z4-Z3-obraz interferencyjny /

Źrodłem światła koherentnego jest u nas laser połprzewodnikowy bądź helowoneonowy. Interferometr składa się z dwoch zwierciadeł 100% (odbija całość wiązki) oraz zwierciadeł połprzepuszczających 50% (połowa wiązki ulega odbiciu, a połowa przechodzi przez zwierciadło bez załamania). Światło lasera kierujemy na połprzezroczyste zwierciadło Z1 50%, gdzie zostaje rozdzielone na dwie wiązki. Jedna z nich zostaje odbita i dociera do zwierciadła Z2 100%, skąd w całości odbita zostaje skierowana do kolejnego zwierciadła Z3 50%. Druga z wiązek – przechodzi przez pierwsze zwierciadło Z1 50% i dociera do innego zwierciadła Z4 100%, odbita stamtąd dociera do zwierciadła Z3 50%, gdzie spotyka drugą wiązkę. Dostrajanie interferometru polega na takim sterowaniu luster, aby plamki pochodzące od obu wiązek pokryły się w miejscu powstania obrazu za zwierciadłem Z3 i w konsekwencji od zwierciadła Z3 do miejsca powstawania obrazu interferencyjnego powinny przebyć jednakowe drogi optyczne. Dodatkowo zwracamy uwagę na pożądany wygląd prążkow interferencyjnych – aby powstały i miały pożądaną szerokość (odwrotnie proporcjonalną do kąta ustawienia pomiędzy Z2 a Z3, mniejszy kąt- szersze prążki). Po wstępnym wyjustowaniu układu w miejsce między źrodłem lasera a zwierciadłem Z1 wstawiamy lunetkę, ktora rozszerza wiązkę lasera, co skutkuje powiększonym obrazem interferencyjnym, o wartości powiększenia należy pamiętać przy określaniu odległości pomiędzy prążkami, ktore będą odpowiednio przeskalowane. O odległości pomiędzy prążkami decyduje z kolei kąt pomiędzy Z3 i Z4. Obraz interferencyjny powinien być wyraźny, aby umożliwiał zaobserwowanie prążkow rozmytych po wstawieniu badanego

zwierciadła są idealnie rownoległe, odległość między prążkami jest nieskończenie wielka. Jeśli na drodze wiązki pomiędzy zwierciadłami Z2 i Z3 ustawimy badany przedmiot w płaszczyźnie wobec

Strumień świetlny jest to ilość światła przechodzącego przez określoną powierzchni

w danym czasie. Wartość ta może być opisywana w kategoriach ilości energii, w postaci fotonów przechodzących przez określoną powierzchnię w danym czasie.

Natężenie oświetlenia - ilość światła odbieranego przez obszar o określonej powierzchni (jest to ilość światła padającego na powierzchnię a nie odbijanego bądź emitowanego przez określony obszar).

Natężenie źródła światła (światłość) - strumień świetlny emitowany w określonym kącie bryłowym. Charakterystyczne jest to że natężenie będzie jednakowe niezależnie od odległości od źródła. Natężenie źródła światła jest mierzone w kandelach (1 cd = lumen /steradian).

Luminancja (jaskrawość)-wielkość określająca emisję strumienia świetlnego z jednostkowej powierzchni. W fotometrii wizualnej, a jednostką luminancji jest cd・m-2. W fotometrii fizycznej występuje luminancja energetyczna, którą wyraża się w W・sr-1 ・m-2.

Fotorezystor -Jest to element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego. Całość umieszcza się w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. Strumień światła o odpowiedniej długości fali wywołuje generację par elektron dziura, ta dodatkowa liczba elektronów i dziur zwiększa konduktywność półprzewodnika, co w rezultacie powoduje zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

Fotodiody - półprzewodnikowe elementy fotoelektryczne z warstwą zaporową, są to najogólniej biorąc, złącza p-n, w których zakłócenia koncentracji nośników mniejszościowych dokonuje się za pomocą energii fotonów docierających do złącza przez odpowiednie okienko wykonane w obudowie fotodiody

Fotoogniwo - Jest to element o stosunkowo dużej powierzchni oświetlonej. Złącze p-n znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie (na głębokości rzędu 1μm) oświetlanej powierzchni. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki rożnych rodzajów w rożne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego.

Fototranzystory - to tranzystory bipolarne (najczęściej typu n-p-n), w których obudowie wykonano okno umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor polaryzujemy tak jak zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza kolektor w kierunku zaporowym. Powszechnie fototranzystory wykonywane są jako elementy o dwóch wyprowadzeniach tj. wyprowadzone są kontakty emitera i kolektora, baza zazwyczaj pozostaje nie wyprowadzona na zewnątrz. Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, związany z termiczną generacją nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza p-n na granicy obszarów bazy i kolektora.

Transoptor -stanowi izolowaną elektrycznie parę: źródło promieniowania – fotodetektor, sprzężoną optycznie i umieszczoną we wspólnej obudowie. W transoptorach jako źródło promieniowania stosuje się diody elektroluminescencyjne, natomiast jako fotodetektory wykorzystuje się krzemowe fotodiody, fototranzystory, fototyrystory, fotodarlingtony oraz specjalne struktury, takie jak: foto-FET, fotodiak, fototriak. Transoptor przenosi sygnały zarówno stałoprądowe, jak i zmiennoprądowe (analogowe i cyfrowe), przy czym pasmo przenoszenia zależy przede wszystkim od rodzaju użytych elementów. Transoptory stosuje się w aparaturze pomiarowej i medycznej, w układach automatyki przemysłowej, głownie w celu eliminacji zakłóceń wprowadzanych przez układy współpracujące ze sobą, bądź do sprzęgania układów o rożnych potencjałach, a także w charakterze wyłączników optoelektronicznych.

Odbicie zwierciadlane (regularne) zachodzi na gładkiej powierzchni. Doskonała powierzchnia ktora wykazuje jedyni odbicie zwierciadlane, byłaby niewidzialna. Kat padania α promienia na gładką powierzchnię jest rowny katowi odbicia β promienia od tej powierzchni, czyli:

a = b

Odbiciem dyfuzyjnym czyli nieregularnym nazywamy odbicie od powierzchni niewypolerowanej, taką powierzchnią może być kartka białego papieru.

Załamanie występuje przy przejściu promienia z ośrodka o mniejszym wspołczynniku załamania do ośrodka o większym wspołczynniku załamania. Na przykład z powietrza do wody, czy z wody do szkła. Prawo opisujące załamanie światła jest nazywane prawem Snelliusa, ktore brzmi: Stosunek sinusa kata padanie α do sinusa kąta załamania β jest rowny stosunkowi wspołczynnika załamania w ośrodku pierwszym n1 do wspołczynnika załamania w ośrodku drugim n2 i jest wielkością stałą rowną stosunkowi prędkości światła w ośrodku pierwszym v1 do prędkości światła w ośrodku drugim v2.

bezwzględny wspołczynnik załamania ośrodka n rowny jest stosunkowi prędkości światła w prożni c do prędkości światła w danym ośrodku v.

c=299792458m s

Kąt graniczny załamania występuje gdy promień przechodzi z ośrodka o współczynniku załamania mniejszym do ośrodka o większym współczynniku załamania (n2>n2) i kąt padania promienia osiągnie 90o, α→90o podstawiając do wzoru Snelliusa. Po przekształceniu otrzymujemy kąt graniczny załamania β=arcsin(n₁/n₂):

Całkowite wewnętrzne odbicie - Zjawisko takie zachodzi gdy promień przechodzi z ośrodka o większym współczynniku załamania do ośrodka o mniejszym wspołczynniku załamania (n2<n1). Jeśli kąt załamania β osiągnie wartość 90o, β→90o, wowczas promień załamania będzie się ślizgał po powierzchni granicznej pomiędzy dwoma ośrodkami. Dzieje się tak ponieważ promień osiągnie kat graniczny αg, ktory wyznaczamy ze wzoru Snelliusa:

αg = arcsin(n₂/n₁)

Całkowite wewnętrzne odbicie wystąpi gdy promień padający na powierzchnię łamiącą będzie padał pod kątem większym od kąta granicznego αg, α>αg.
Zwierciadłem nazywamy gładką powierzchnię wypolerowaną odbijającą promienie świetlne. Rozrożniamy zwierciadła z odbiciem zewnętrznym oraz z odbiciem wewnętrznym do ktorych zaliczamy np. lusterko. Najlepszym materiałem na zwierciadło jest srebro odznaczające się bardzo dużym wspołczynnikiem odbicia (96%). Występują następujące typy zwierciadeł płaskie, sferyczne (kuliste), asferyczne (hiperboliczne, eliptyczne, paraboliczne). Dwa ostatnie typy dzielą się na wklęsłe i wypukłe.

Soczewki wykonane są z materiału przezroczystego o zadanym kształcie ciała o symetrii obrotowej. Zazwyczaj jedna lub obie powierzchnie są częścią sfery. Soczewki dzielimy na skupiające (dodatnie), ktore to skupiają promienie w jeden punkt. Zaliczmy do nich soczewki dwuwypukłe, płaskowypukłe, wypukłowklęsłe. Rozpraszające (ujemne) - rozpraszają promienie od osi soczewki. Zaliczamy do nich soczewki dwuwklęsłe, płaskowklęsłe, wypukłowklęsłe.

Pryzmatem nazywamy bryłę szklaną z wypolerowanymi płaszczyznami nachylonymi do siebie pod kątem φ, zwanym kątem łamiącym pryzmatu. Najmniejszy kąt odchylenia δmin promieni, jest przy symetrycznym przebiegu promienia przez pryzmat.

Drgania: okresowe zmiany stanu układu fizycznego, chemicznego lub biologicznego wokół położenia równowagi. Częstotliwość drgań własnych zależy od własności fizycznych i kształtu ciała, lub układu drgającego, jeżeli drgania wykonywane są pod wpływem wewnętrznych sił sprężystości ciała. Tłumienie drgań, to stopniowe zmniejszenie się amplitudy drgań swobodnych wraz z upływem czasu, związane ze stratami energii układu drgającego.

Pierwsze prawo Kirchhoffa brzmi: Dla węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna natężeń prądów wpływających (+) i wypływających (–) z węzła jest równa 0.

Drugie prawo Kirchhoffa brzmi: W zamkniętym oczku suma spadków napięć na oporach równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym oczku.

Prawo Ohma odkryte zostało w 1827 roku i jest ono podstawowym prawem potrzebnym do zrozumienia działania obwodów elektrycznych. Prawo to mówi, że napięcie U na końcach przewodnika, przez który płynie prąd o natężeniu I jest iloczynem natężenia prądu i rezystancji R tego przewodnika.

Dynamika Jest działem mechaniki zajmującym się ruchem ciał materialnych pod działaniem sił. W zależności od tego, jakim modelem mechanicznym dynamika się zajmuje, wyróżniamy np.: dynamikę punktu materialnego, bryły sztywnej lub dynamikę płynów. Podstawowe prawa dynamiki sformułował Izaak Newton.

I zasada dynamiki W inercjalnym układzie odniesienia, jeśli na ciało nie działa żadna siła lub siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

II zasada dynamiki Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.

III zasada dynamiki Oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia (każda działa na inne ciało).

Grawitacja - Nazywana ciążeniem powszechnym, to jedno z czterech oddziaływań podstawowych wyróżnianych przez fizykę. Najważniejszą cechą grawitacji jest jej powszechność. Ciążenie działa tak samo na wszystkie obiekty fizyczne niezależnie od ich natury. Nie można w żaden sposób ani odizolować żadnego obiektu od wpływu ciążenia, ani zakłócić tego wpływu. Na gruncie fizyki klasycznej oddziaływanie grawitacyjne jest zależne od masy poszczególnych ciał i od odległości między nimi. We współczesnej fizyce grawitację opisuje ogólna teoria względności. Oddziaływanie grawitacyjne jest w niej skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez różne formy materii (obiekty fizyczne). Grawitacja jest konsekwencją niezerowego tensora energii-pędu w danym punkcie czasoprzestrzeni, którego składowe są związane z energią, pędem i ciśnieniem w tym punkcie (niekiedy formułowane jest to tak, iż to tensor energii-pędu, czy też napięcia, ciśnienia i pędy są jej źródłami)

Prawa Keplera Trzy podstawowe prawa astronomiczne, sformułowane przez niemieckiego fizyka i matematyka Jana Keplera na początku XVII w. opisują ruch planet wokół Słońca. Pozostają słuszne dla układu dwóch ciał obdarzonych masą, z których jedno ma masę zaniedbywanie małą (planeta) w stosunku do masy drugiego (Słońce). Nie są już one słuszne dla układu trzech i więcej ciał.

I prawo „Każda planeta Układu Słonecznego porusza się wokół Słońca po elipsie, w której jednym z ognisk jest Słońce”. W astronomii opisuje się elipsę poprzez podanie jej półosi wielkiej, czyli odległości środka elipsy do najbardziej oddalonego punktu na krzywej oraz

mimośrodu, czyli stopnia jej spłaszczenia

II prawo „W równych odstępach czasu, promień wodzący planety poprowadzony od Słońca zakreśla równe pola.”

III prawo „Stosunek kwadratu okresu obiegu planety wokół Słońca do sześcianu wielkiej półosi jej orbity (czyli średniej odległości od Słońca) jest stały dla wszystkich planet w Układzie Słonecznym.”

Prawo odbicia i prawo załamania Jeżeli światło pada na granicę dwóch ośrodków to ulega zarówno odbiciu od powierzchni granicznej jak i załamaniu przy przejściu do drugiego ośrodka.

Prawo odbicia: Promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni granicznej wystawiona w punkcie padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie i kąt padania równa się kątowi odbicia α1 = α2.

Prawo załamania: Stosunek sinusa kata padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka drugiego n2 do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka pierwszego n1, czyli współczynnikowi względnemu załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego.