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

LABORATION 5 Aberrationer

LABORATION 5 Aberrationer

Föreläsning 9 10: Bildkvalitet (PSF och MTF)

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.

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

Vågrörelselära och optik

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

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.

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

Övning 9 Tenta

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

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

Föreläsning 11 (kap i Optics)

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

Kapitel 35, interferens

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

Gauss Linsformel (härledning)

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

Diffraktion och interferens

v F - v c kallas dispersion

Övning 1 Dispersion och prismaeffekt

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Vågrörelselära och optik

Denna vattenmängd passerar också de 18 hålen med hastigheten v

Ljus. Vågfysik. Diffraktion av ljus? Vattenvågor. Youngs dubbelspaltexperiment Interferens av ljus Jämför med: Vågoptik (del 1) Knight, Kap 22 (del 1)

Kapitel 36, diffraktion

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

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

Teckenkonventionen: ljus in från vänster, ljusets riktning = positiv

3. Mekaniska vågor i 2 (eller 3) dimensioner

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

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK december 2011

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

OPTIK läran om ljuset

Diffraktion och interferens

Luft. film n. I 2 Luft

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

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

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

Föreläsning 3: Radiometri och fotometri

Laboration i Geometrisk Optik

Fysik TFYA86. Föreläsning 9/11

Datorlaboration Avbildningskvalitet

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

Föreläsning 6: Polarisation

Hur fungerar AR-skikt? Föreläsning 7 fysikalisk optik

Diffraktion och interferens

Föreläsning 6: Polarisation

5. Elektromagnetiska vågor - interferens

Ljusets interferens. Sammanfattning

Alla svar till de extra uppgifterna

Övning 6 Antireflexbehandling

Elektromagnetiska vågor (Ljus)

Diffraktion och interferens Kapitel 35-36

Vågrörelselära och optik

Laboration 1 Fysik

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

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

Repetition Ljus - Fy2!!

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

Tentamen i Fotonik , kl

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

Föreläsning 2 (kap , 2.6 i Optics)

3) Sag formeln ger r=y 2 /(2s). y=a/2=15 mm, s=b c=4,5 mm ger r=25 mm. Då blir F=(n 1)/r=(1,5 1)/0,025=20 D

About the optics of the eye

Ljusets böjning & interferens

Harmonisk oscillator Ulf Torkelsson

Ljusets böjning & interferens

Diffraktion och interferens

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

Instrumentoptik, anteckningar för föreläsning 4 och 5 (CVO kap. 17 sid , ) Retinoskopet

Föreläsning 8: Linsdesign

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

Datorlaboration Avbildningskvalitet

Ljusets böjning & interferens

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t 2π T x. s(x,t) = 2 cos [2π (0,4x/π t/π)+π/3]

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

Går det att göra vitt ljus koherent?

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

Våglära och optik FAFF30 JOHAN MAURITSSON

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

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Handledning laboration 1

Hittills har vi bara använt sfäriska ytor, dvs delar av en sfär. Plana ytor är specialfall av sfär (oändlig krökningsradie, r= ).

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

The nature and propagation of light

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

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

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

Att räkna med mellanbilder genom ett system med många linser och gränsytor blir krångligt. Vi vill kunna avbilda genom alla ytor direkt.

Hur fungerar AR skikt? Föreläsning 7 fysikalisk optik

Övning 7 Diffraktion och upplösning

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

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

Assistent: Markku Jääskeläinen Laborationen utfördes: 23 februari 2000

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

Lösningar till repetitionsuppgifter

Transkript:

1 Föreläsning 14 och 15: Diffraktion och interferens i gitter, vanliga linser, diffraktiv optik och holografi Ljusets vågnatur Ljus kan ses so elektroagnetiska vågor so rör sig fraåt. När vi ritar strålar så visar de åt vilket håll vågorna rör sig: 2 2 y a sin x - t T = ljusets våglängd (färg), äts ofta i nanoeter = 10-9 (synligt ca 400-700 n) = 1/T = ljustets frekvens, äts i Hertz = 1/sekund c = = ljusets hastighet, i vaccu och luft är hastigheten 300 000 k/s E e ~ a 2, aplituden i kvadrat är proportionell ot ljusets irradians [W/ 2 ] ofta kallad ljusets intensitet, I Vågfronter är tänkta linjer so binder saan ljus ed saa fas, t.ex. topp ed otsvarande topp. Från en punktkälla ser detta ut so vågorna när an kastar en sten i vattnet. Ljusets vågnatur kan ge upphov till två fenoen, interferens och diffraktion, so utnyttjas vid t.ex. antireflex-behandling och ultifokala intraokulära linser. Interferens Superposition = att lägga saan ljus. Konstruktiv interferens: Topp + Topp & Dal + Dal = kt ljus Destruktiv interferens: Topp + Dal & Dal+ Topp = inget ljus

2 För att interferens ska kunna ske åste ljuset ska vara koherent, d.v.s. ed saa våglängd och konstant fasskillnad Ljuset åste koa från saa ljuskälla Trick: Skapa två punktkällor geno att belysa en skär ed två spalter i = Youngs dubbelspalt (en annan tilläpling är antireflex-skikt): I tot I bildplanet är I I I cos 1 2 2 1I2 ed fasskillnad 2 n x ev. extra fasskillna d På olika höjder i bildplanet 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; på vissa ställen konstruktiv ( = 2, =heltal: 0, ±2, ±4, ±6) och på andra destruktiv interferens ( =, =udda heltal: ±, ±3, ±5). För att interferens ska ske åste dessuto ljusets koherenslängd vara längre än vägskillnaden. Diffraktion När vågor passerar kanter. Naturen kan inte ha en våg so slutar abrupt, istället sker en långsaare utslätning av vågfronten vid kanten av en öppning, vilket gör att ljuset böjs av vid skarpa kanter. Fenoentet kallas för diffraktion och kan även ses för vågor på vatten (google-earth bilden bredvid är från iopscience.iop.org).

3 Efterso ljuset böjs av vid kanterna blir diffraktionen större ju indre hålet är (bild från cnx.org) Utan diffraktion hade vi fått en perfekt skuggbild. Enligt Huygens princip betrakta varje del på vågfronten so en egen punktkälla och suera ihop bidragen från alla punkter (interferens). n Bilden ovan visar Fraunhofer diffraktion vilket stäer under antagandet att d 1 och d 2 är ycket större än öppningens diaeter b och ljusets våglängd (egentligen d 1 och d 2 >> b 2 / annars sker istället Fresnel diffraktion). Fraunhofer diffraktion är även det so fås efter att ljuset fokuserats till en bild.h.a. linser. I syste ed flera linser ges bildens suddighet av diffraktionen beräknad i den öppning/lins so är aperturstopp.

4 Diffraktion ger en suddighet so ökar när hålet blir indre och när blir större! Cirkulärt hål ger en Airy disk: sin in 1,22 nb där vinkeln in är vinkeln bort till första örka ringen 84% av ljuset finns i Airy diskens centrala fläck. En spalt ger ett randönster: sin in, nb där är ordningen på iniuen (heltal) Gitter Figuren ed Youngs dubbelspalt var inte riktigt sann... Med två sala spalter får vi både interferens och diffraktion! Bilden blir ett interferensönster vars intensitet bestäs av diffraktionsönstret från spalterna (spalterna är lika och ger därför saa önster), alltså blir inte alla interferensax lika starka p.g.a. diffraktion i varje spalt.

5 Skillnaden i optisk väg för punkten P blir: OPD n x n 2 n b c sin b csin Ger ljus rand (konstruktiv interferens) när: 2 sin ax ed =heltal (0, ±1, ±2, ±3) d.v.s. n b c Ger örk rand (destruktiv interferens) när: sin in ed =udda heltal (±1, ±3, ±5) d.v.s. 2n b c Dessuto örkt vid diffraktionsin: sin in ed =heltal (±1, ±2) nb Gitter = ånga spalter regelbundet fördelade Saa diffraktionsönster Salare interferenstoppar ed snabbare variationer Olika våglängder får sina interferenstoppar i olika vinklar Rött bryts er än blått! =1 =1 =1

6 Avbildande syste diffraktion i vanliga linser Diffraktionen i en cirkulär lins blir på saa sätt so i ett hål, d.v.s. en Airy disk BEVIS: Vi kan tänka oss att linsen nedan, so gör en avbildning, delas upp i två linser: en so kollierar ljuset, och en so sedan fokuserar det (såso visas i den nedre bilden). Vi tänker oss att aperturstoppet ligger ellan dessa båda linser, och då kan vi räkna ut hur stor vinkeln in blir pga diffraktion: sin in 1,22 nb Då kan vi också räkna ut hur stor bilden av en punkt blir, pga diffraktion: y l sin Ɵ in = 1,22λl n b där y är radien på den suddiga fläcken. Geoetrin b 2lsin u 2l sin u ger även att: y l sin Ɵ in = 1,22λl n b 0,61λ 0,61λ 0,61λ l n 0,61λ n sin u NA n sin u ln NA

7 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 indre än suddigheten från diffraktion svårare att åstadkoa ju större linsens öppning görs. Stor apertur (AS) ger stora aberrationer (öjliga att inska) och liten diffraktion Liten apertur (AS) ger så aberrationer och stor diffraktion (kan inte inskas) Ett ått på hur bra bildkvalitet ett optiskt syste ger är dess upplösning, d.v.s. förågan att särskilja två punkter so 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, geno att titta på punktspridningsfunktionen (PSF), eller tas utifrån gränsfrekvensen i odulationsöverföringsfunktionen (MTF-kurvan). Suddigheten från diffraktion i en cirkulär lins ges av Airydiskens storlek. Upplösningskriteriu = hur nära kan två suddiga fläckarna vara varandra och ändå ses so två olika? Det beror på... Ett vanligt kriteriu är Rayleighkriteriet (gäller för diffraktionsbegränsade bilder): Vid diffraktion ges insta upplösta w, w,h eller h av: w = 1,22λ n b n (vinkel i radianer) w = n w = 1,22λ nb (brytningslagen ) h in = 1,22λl n b = 0,61λ NA = 0,61λ NA h in = h in = 1,22λl nb = 0,61λ n sin u = 0,61λ NA

8 Diffraktion i avbildande syste diffraktiv optik Gitter kan användas istället för prisa för att bryta ljuset och dela upp det i våglängder. O an sätter saan flera prisor ed olika avböjelsevinkel får an en funktion so liknar en vanlig lins. På saa sätt kan an sätta saan flera gitter ed olika täthet (linjer/): Diffraktiv optik = gitter ed varierande täthet so fungerar so linser. y f 1 De olika ordningarna () har olika långa fokallängder och däred olika styrkor (=0, bryts ej): tan F ax, n f y f ax, y b sin c ax, n b c Diffraktiv optik har ovänd kroatisk aberration (rött bryts er än blått): Avböjelsevinkel i prisa: (n prisa 1) toppvinkel ger Abbetal runt 60 sin ger Abbetal runt -3,5 1 Avböjelsevinkel i gitter: ax, n b c Kobinera vanlig lins ed diffraktiv optik (i t.ex. en kontaktlins eller en intraokulär lins) ger fördelar: Bifokalitet Reducerad kroatisk aberration

Holografi Att återskapa vågfronten från ett objekt (punktkällan i figuren nedan) ger trediensionella bilder vid korrekt belysning! 9