Föreläsning 14 och 15: Diffraktion och interferens i gitter, vanliga linser, diffraktiv optik och holografi

Relevanta dokument
Föreläsning 14 och 15: Diffraktion och interferens i gitter, vanliga linser, diffraktiv optik och holografi

Föreläsning 9 10: Bildkvalitet (PSF och MTF)

Diffraktion... Diffraktion (Kap. 36) Diffraktion... Enkel spalt. Parallellt monokromatiskt ljus gör att skuggan av rakbladet uppvisar en bandstruktur.

Föreläsning 9-10: Bildkvalitet (PSF och MTF)

Vågrörelselära och optik

Böjning. Tillämpad vågrörelselära. Föreläsningar. Vad är optik? Huygens princip. Böjning vs. interferens FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Diffraktion och interferens

Gauss Linsformel (härledning)

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

Eftersom brytningsindex n ändras med våglängden (färgen) kommer olika färger hos ljuset att brytas olika genom prismor och linser.

Övning 9 Tenta

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

Övning 9 Tenta från Del A. Vägg på avståndet r = 2.0 m och med reflektansen R = 0.9. Lambertspridare.

Diffraktion och interferens

Ljudhastighet (vätska & gas) RT v M Intensitet från en punktkälla P I medel 2 4 r Ljudintensitetsnivå I 12 2 LI 10lg med Io 1,0 10 W/m Io Dopplereffek

Kapitel 36, diffraktion

FAFF Johan Mauritsson 1. Föreläsningar. Våglära och optik. Världens minsta film. Projekten

Vågrörelselära och optik

v F - v c kallas dispersion

Övning 1 Dispersion och prismaeffekt

1. Betrakta en plan harmonisk elektromagnetisk våg i vakuum där det elektriska fältet E uttrycks på följande sätt (i SI-enheter):

Föreläsning 11 (kap i Optics)

Kapitel 35, interferens

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

Geometrisk optik. Syfte och mål. Innehåll. Utrustning. Institutionen för Fysik

Ljusets interferens. Sammanfattning

Fysik. Laboration 3. Ljusets vågnatur

Förklara dessa begrepp: Ackommodera Avbildning, Brytning Brytningslagen Brytningsindex Brytningsvinkel Brännvidd Diffus och regelbunden reflektion

Repetition Ljus - Fy2!!

5. Elektromagnetiska vågor - interferens

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Figur 1: Figur 3.12 och 3.18 i Optics. Teckenkonventionen: ljus in från vänster, sträcka i ljusets riktning = positiv

Presentationsmaterial Ljus som vågrörelse - Fysik B. Interferens i dubbelspalt gitter tunna skikt

Laboration i Geometrisk Optik

Interferens (Kap. 35) Interferens (Kap. 35) Interferens mellan vågor från två punktformiga källor. Skillnad mellan interferens och diffraktion

3. Mekaniska vågor i 2 (eller 3) dimensioner

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Ljusets böjning & interferens

Ljusets böjning & interferens

Elektromagnetiska vågor (Ljus)

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

Figur 1: Figur 3.12 och 3.18 i Optics. Teckenkonventionen: ljus in från vänster, sträcka i ljusets riktning = positiv

OPTIK läran om ljuset

1. a) I en fortskridande våg, vad är det som rör sig från sändare till mottagare? Svara med ett ord. (1p)

Diffraktion och interferens

LJUSETS DIFFRAKTION. 1 Inledning. Ljusets diffraktion

Tentamen i Våglära och optik för F

Vågfysik. Geometrisk optik. Knight Kap 23. Ljus. Newton (~1660): ljus är partiklar ( corpuscles ) ljus (skugga) vs. vattenvågor (diffraktion)

1. Ge en tydlig förklaring av Dopplereffekt. Härled formeln för frekvens som funktion av källans hastighet i stillastående luft.

Luft. film n. I 2 Luft

Tentamen i Vågor och Optik 5hp F, Q, kandfys, gylärfys-programm, den 11. juni 2010

Tentamen i Fotonik , kl

interferens och diffraktion

(ii) Beräkna sidoförskjutningen d mellan in- och utgående strålar, uttryckt i vinklarna θ i och tjocklekar t i. (2p)

Vågrörelselära och optik

LABORATION 5 Aberrationer

Övning 7 Diffraktion och upplösning

Läs i vågläraboken om holografi (sid ) och sid 5 17 i detta kompendium.

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

Tentamen i Vågor och Optik 5hp F, Q, kandfys, gylärfys-programm, den 15. mars 2010

Våglära och optik FAFF30 JOHAN MAURITSSON

Föreläsning 3: Radiometri och fotometri

Laboration 1 Fysik

Assistent: Markku Jääskeläinen Laborationen utfördes: 23 februari 2000

Holografi. Förberedelser. Referensvåg. Konstruktiv interferens. Läs i vågläraboken om holografi (sid ) och hela laborationsinstruktionen.

Tentamen i Fotonik , kl

Fysik TFYA86. Föreläsning 9/11

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Lösningsförslag

Kursiverade ord är viktiga begrepp som skall förstås, kunna förklaras och dess relevans i detta sammanhang skall motiveras.

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK december 2011

Datorlaboration Avbildningskvalitet

Ljusets böjning och interferens

Övningstal i Avbildningskvalitet för optikerstuderande. Rita figurer och motivera ordentligt!

Föreläsning 8: Linsdesign

FAFA55 HT2016 Laboration 1: Interferens av ljus Nicklas Anttu och August Bjälemark, 2012, Malin Nilsson och David Göransson, 2015, 2016

Handledning laboration 1

Övningstal i Avbildningskvalitet för optikerstuderande. Rita figurer och motivera ordentligt!

Kikaren. Synvinkel. Kepler och Galileikikare. Vinkelförstoring. Keplerkikaren. Keplerkikaren FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1

Alla svar till de extra uppgifterna

Diffraktion och interferens

Tentamen i Optik för F2 (FFY091)

Optik, F2 FFY091 TENTAKIT

Teckenkonventionen: ljus in från vänster, ljusets riktning = positiv

Övning 6 Antireflexbehandling

Föreläsning 6: Polarisation

Ljusets böjning & interferens

LABORATION 5 Aberrationer

Diffraktion och interferens Kapitel 35-36

Tillämpad vågrörelselära FAF260. Svängningar genererar vågor - Om en svängande partikel är kopplad till andra partiklar uppkommer vågor

About the optics of the eye

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 högskolepoäng, FK4009 Tisdagen den 17 juni 2008 kl 9-15

för M Skrivtid i hela (1,0 p) 3 cm man bryningsindex i glaset på ett 2. två spalter (3,0 p)

v = v = c = 2 = E m E2 cµ 0 rms = 1 2 cε 0E 2 rms (33-26) I =

Laborationer i OPTIK och AKUSTIK (NMK10) Augusti 2003

Föreläsning 6: Polarisation

Geometrisk optik reflektion och brytning. Optiska system F9 Optiska instrument. Elektromagnetiska vågor. Det elektromagnetiska spektrumet FAF260

Hur fungerar AR-skikt? Föreläsning 7 fysikalisk optik

I 1 I 2 I 3. Tentamen i Fotonik , kl Här kommer först några inledande frågor.

Övning 6 Antireflexbehandling. Idén med antireflexskikt är att få två reflektioner som interfererar destruktivt och därmed försvagar varandra.

Transkript:

Föreläsning 14 och 15: Diffraktion och interferens i gitter, vanliga linser, diffraktiv optik och holografi Ljusets vågnatur Ljus är elektromagnetiska vågor som rör sig framåt. När vi ritar strålar så visar de åt vilket håll vågorna rör sig: λ a sin 2 2 = ljusets våglängd (färg), mäts ofta i nanometer = 10 9 m (synligt ca 400 700 nm) = 1/T = ljustets frekvens, mäts i Hertz = 1/sekund c = = ljusets hastighet, i vaccum och luft är hastigheten 300 000 km/s E e ~ a 2, amplituden i kvadrat är proportionell mot ljusets irradians [W/m 2 ] ofta kallad ljusets intensitet, I Vågfronter är tänkta linjer som binder samman ljus med samma fas, t.ex. topp med motsvarande topp. Från en punktkälla ser vågfronterna ut som ringarna när man kastar en sten i vattnet. Ljusets vågnatur kan ge upphov till två fenomen, interferens och diffraktion, som utnyttjas vid t.ex. antireflex behandlingar och multifokala intraokulära linser. Interferens Superposition = att lägga samman ljus. Konstruktiv interferens: Topp + Topp & Dal + Dal = mkt ljus Destruktiv interferens: Topp + Dal & Dal+ Topp = inget ljus 57

För att interferens ska kunna ske måste ljuset ska vara koherent, d.v.s. med samma våglängd och konstant fasskillnad. Det innebär att ljuset måste komma från samma ljuskälla Trick: Skapa två punktkällor genom att belysa en skärm med två spalter => Youngs dubbelspalt (ett annan exempel är antireflex skikt): I interferensmönstret är I I I cos I tot 1 2 2 1I2 med fasskillnad 2 n x ev.extra fasskillnad På olika höjder i interferensmönstret är skillnaden i optisk väg n x=n (x 1 x 2 ) för ljuset från öppning 1 och 2 olika, vilket ger en varierande fasskillnad. Konstruktiv interferens: = 2m, m=heltal: 0, ±2, ±4, ±6 Destruktiv interferens: = m, m=udda heltal: ±, ±3, ±5 För att interferens ska uppstå måste dessutom ljusets koherenslängd vara längre än vägskillnaden. Diffraktion Vågor böjer av när de passerar avgränsande aperturer (öppningar) eller kanter. Naturen kan inte ha en våg som slutar abrupt, istället sker en långsammare utslätning av vågfronten vid kanten av en öppning, vilket gör att ljuset böjs av vid skarpa kanter. Fenomentet kallas för diffraktion och kan även ses för vågor på vatten (google earth bilden bredvid är från iopscience.iop.org). 58

Eftersom ljuset böjs av vid kanterna blir diffraktionen större ju mindre hålet är (bild från cnx.org): Utan diffraktion hade vi fått en perfekt skuggbild. Fraunhofer diffraktion Enligt Huygens princip kan vi betrakta varje del på vågfronten i öppningen som en ny punktkälla och summera ihop (interferens) bidragen från alla punkter för att få fram diffraktionsmönstret: n Bilden ovan visar fraunhoferdiffraktion vilket förutsätter att d 1 och d 2 är mycket större än öppningens diameter b och ljusets våglängd (egentligen d 1 och d 2 >> b 2 /). Fraunhofer diffraktion får man alltså när det är stort avstånd till både ljuskällan och där diffraktionsmönstret hamnar (plana vågor). När man avbildar punktkällan på skärmen med en lins får man också fraunhoferdiffraktion (se sid. 62). Cirkulärt hål ger en Airy disk: sin min 1,22 nb där vinkeln min är vinkeln bort till första mörka ringen 84% av ljuset finns i Airy diskens centrala fläck. 59

En spalt ger ett randmönster: sin min, m m nb där m är ordningen på minimet (heltal) Diffraktionen ökar när hålet/spalten blir mindre och när blir större! Gitter Figuren med Youngs dubbelspalt var inte riktigt komplett... Med två smala spalter får vi både interferens och diffraktion! Mönstret blir ett interferensmönster vars intensitet bestäms av diffraktionsmönstret från spalterna (spalterna är lika breda och ger därför samma mönster), alltså blir inte alla interferensmax lika starka. Skillnaden i optisk väg för punkten P blir: OPD n x n 2 n b c sin b csin Konstruktiv interferens vid interferensmaximum när: m 2 => max m n b c sin med m=heltal (0, ±1, ±2, ±3) (Denna formel kallas gitterekvationen) Dessutom mörkt vid diffraktionsminimum: sin m nb min med m=heltal (±1, ±2) 60

Gitter = många spalter regelbundet fördelade Samma diffraktionsmönster som från dubbelspalt Mycket smala interferensmaximum Tätare gitter (fler spalter/mm, b+c mindre) ger större vinkel mellan olika ordningars interferensmax Smalare spalter (b mindre) ger bredare diffraktionsmönster => interferensmaximum för fler ordningar syns. Olika våglängder får sina interferenstoppar i olika vinklar Negativ dispersion = Rött bryts mer än blått m=1 m=1 m=1 61

Diffraktion i avbildande system upplösning Fraunhofer diffraktion är även den typ av diffraktion som fås när ljuset från en objektpunkt samlats till en bild av en lins. Diffraktionen i en cirkulär lins blir på samma sätt som i ett runt hål, d.v.s. en Airy disk. BEVIS: Vi kan tänka oss att linsen nedan, som gör en avbildning, delas upp i två linser: en som kollimerar ljuset, och en som sedan fokuserar det (såsom visas i den nedre bilden). Vi tänker oss att aperturstoppet ligger mellan dessa båda linser, och då kan vi räkna ut hur stor vinkeln min blir pga diffraktion: sin min 1,22 nb Då kan vi också räkna ut hur stor bilden av en punkt blir, pga diffraktion: sinɵ, där y är radien på den suddiga fläcken. Geometrin b 2lsin u 2l sin u ger även att: sinɵ,,,,, 62

I system med flera linser ges bildens suddighet av diffraktionen beräknad i den öppning/lins som är aperturstopp. Diffraktionen ger en suddighet i bilden och är den yttersta gränsen för hur skarp en bild kan bli vid en viss storlek på aperturen. Diffraktionsbegränsad betyder att suddigheten från aberrationerna är mindre än suddigheten från diffraktion svårare att åstadkomma ju större linsens öppning görs. Stor apertur (AS) ger stora aberrationer (möjliga att minska) och liten diffraktion Liten apertur (AS) ger små aberrationer och stor diffraktion (kan inte minskas) Ett mått på hur bra bildkvalitet ett optiskt system ger är dess upplösning, d.v.s. förmågan att särskilja två punkter som befinner sig nära varandra. Gränsen för upplösning beror på hur stor den suddiga fläcken blir p.g.a. aberrationer och diffraktion. Suddigheten p.g.a. aberrationer kan beräknas från ekvationer, genom att titta på punktspridningsfunktionen (PSF), eller tas utifrån gränsfrekvensen i modulationsöverföringsfunktionen (MTF kurvan). Suddigheten från diffraktion i en cirkulär lins ges av Airydiskens storlek. Upplösningskriterium = hur nära kan två suddiga fläckarna vara varandra och ändå ses som två olika? Det beror på... Ett vanligt kriterium är Rayleighkriteriet (gäller för diffraktionsbegränsade bilder): Vid diffraktion ges minsta upplösta w, w,h eller h av:,22 (vinkel i radianer), (brytningslagen ),,, 1,22 0,61 0,61 sin 63

Diffraktiv optik Diffraktiva prismor Ett gitter kan användas istället för prisma för att bryta ljuset och dela upp det i våglängder: Avböjningsvinkel i prisma: 1 Ger abbetal: Avböjningsvinkel i gitter: / 60 Ger abbetal: 3,5 Om ett gitter används som prisma för avbildning (exempelvis för att titta igenom) får man alltså stor kromatisk aberration där rött bryter mer än blått. Diffraktiva linser Om man radiellt sätter samman flera prismor med olika toppvinkel kan man få en funktion som liknar en vanlig lins (jämför fresnellinser). På samma sätt kan man sätta samman flera cirkulära gitter med olika täthet (linjer/mm) till en diffraktiv lins. Diffraktiv lins = cirkulära gitter med varierande täthet som fungerar som linser. De olika ordningarna (m) har olika långa fokallängder och därmed olika styrkor (m=0, bryts ej): tan F max, m m n f m y f m m max, m y b sin c max, m m n b c Diffraktiv optik har omvänd kromatisk aberration (rött bryts mer än blått) motsvarande ett abbetal på ca. 3,5. 64

Att kombinera en vanlig lins med diffraktiv optik (i t.ex. en kontaktlins eller en intraokulär lins) ger fördelar: Multifokalitet Reducerad kromatisk aberration Holografi Att återskapa vågfronten från ett objekt (punktkällan i figuren nedan) ger tredimensionella bilder vid korrekt belysning! 65