Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5



Relevanta dokument
Kapitel 35, interferens

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Vågrörelselära och optik

Föreläsning 7: Antireflexbehandling

Gauss Linsformel (härledning)

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

Elektromagnetiska vågor (Ljus)

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

5. Elektromagnetiska vågor - interferens

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

Diffraktion och interferens Kapitel 35-36

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

Vågrörelselära och optik

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

Övning 6 Antireflexbehandling

Vågrörelselära och optik

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Hur fungerar AR-skikt? Föreläsning 7 fysikalisk optik

3. Mekaniska vågor i 2 (eller 3) dimensioner

Vågfysik. Superpositionsprincipen

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

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK december 2011

interferens och diffraktion

Optik, F2 FFY091 TENTAKIT

3. Ljus. 3.1 Det elektromagnetiska spektret

Kapitel 36, diffraktion

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

Hur fungerar AR skikt? Föreläsning 7 fysikalisk optik

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

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

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

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

Projekt 5 Michelsoninterferometer Fredrik Olsen Roger Persson

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

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

Fysik. Laboration 3. Ljusets vågnatur

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

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

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

Fysik TFYA86. Föreläsning 9/11

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

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

Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter Se efter om ni har fått tillbaka dem och om de är godkända!

Vågor. En våg är en störning som utbreder sig En våg överför energi från en plats till en annan. Det sker ingen masstransport

Tentamen i Fotonik , kl

Går det att göra vitt ljus koherent?

1 Figuren nedan visar en transversell våg som rör sig åt höger. I figuren är en del i vågens medium markerat med en blå ring prick.

The nature and propagation of light

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

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

Tentamen i Fotonik , kl

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

Lösningar till repetitionsuppgifter

Institutionen för Fysik Polarisation

Föreläsning 2 (kap , 2.6 i Optics)

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 7 poäng, FyL2 Tisdagen den 19 juni 2007 kl 9-15

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

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

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

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

Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter. Räknestuga. Förra veckan kapitel 16 och 17 Böjning och interferens

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

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

Repetitionsuppgifter i vågrörelselära

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Föreläsning 6: Polarisation

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

TFYA58, Fysik, 8 hp, 3 delar

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

EXPERIMENTELLT PROBLEM 2 DUBBELBRYTNING HOS GLIMMER

Lösningsförslag - tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Optik. Läran om ljuset

Föreläsning 6: Polarisation

Diffraktion och interferens

Diffraktion och interferens

Tentamen i Våglära och optik för F

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

Denna våg är. A. Longitudinell. B. Transversell. C. Något annat

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

2. Ljud. 2.1 Ljudets uppkomst

Tentamen i Fotonik , kl

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Ljusets interferens. Sammanfattning

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

Vågrörelselära och optik

= T. Bok. Fysik 3. Harmonisk kraft. Svängningsrörelse. Svängningsrörelse. k = = = Vågrörelse. F= -kx. Fjäder. F= -kx. massa 100 g töjer fjärder 4,0 cm

Elektromagnetism (TFYA86) LJUSVÅGOR

Tentamen i Fotonik , kl

Tentamen i Fotonik , kl

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Lösningsförslag

Böjning och interferens

Optiska ytor Vad händer med ljusstrålarna när de träffar en gränsyta mellan två olika material?

Institutionen för Fysik Polarisation

Figur 1. Funktionsprincipen för Michelson-interferometer.

Hjälpmedel: Typgodkänd räknare, Physics Handbook, Mathematics Handbook.

Vågrörelselära och optik

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

Övning 9 Tenta

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

Luft. film n. I 2 Luft

Transkript:

Fysik (TFYA14) Fö 5 1 Fö 5 Kap. 35 Interferens Interferens betyder samverkan och i detta fall samverkan mellan elektromagnetiska vågor. Samverkan bygger (precis som för mekaniska vågor) på superpositionsprincipen som säger att "om flera vågor samverkar i en punkt, blir den resulterande vågen summan av alla samverkande vågors bidrag". Huygens princip En tidig teori för vågutbredning för ljusvågor presenterades av Christian Huygens 1678. Teorin är en geometrisk konstruktion som bygger på Huygens princip: "Alla punkter på en vågfront kan antas vara punktkällor som sänder ut sfäriska vågor. Efter en tid, Δt, kommer vågfrontens nya läge vara detsamma som tangenten till alla sfäriska vågor." Huygens princip illustreras i Fig. 35-: Fig. 35- Vågutbredning enligt Huygens princip.

Fysik (TFYA14) Fö 5 En styrka med denna teori är att den på ett enkelt sätt kan användas för att härleda brytningslagen, se Fig. 35-3: n = 1 sinθ1 n sin c n = v n = brytningsindex, c = utbredningshastigheten i vakuum, v = utbredningshastigheten i aktuellt medium. θ Fig. 35-3 Brytningslagen förklarad med Huygens princip. I transparenta material är utbredningshastigheten lägre än i vakuum, v = c/n. Dessutom är våglängden kortare ( = n ). Däremot är frekvensen konstant. n

Fysik (TFYA14) Fö 5 3 Fasskillnad Fig. 35-4 illustrerar två identiska vågor som initialt är i fas (dvs. fasskillnaden är nπ). Dessa passerar sedan två lika tjocka material med olika brytningsindex. När vågorna kommer ut i luften igen har en fasskillnad mellan dem uppstått eftersom våglängden är olika i de två olika materialen. Om skillnaden i antal våglängder på sträckan L är ett helt antal våglängder är vågorna i fas. Om skillnaden i antal våglängder på sträckan L däremot är ett halvtaligt antal våglängder ( ( m +1 ) ) där m är ett positivt heltal) är vågorna i motfas. Fig. 35-4 Uppkomst av fasskillnad pga skillnad i våglängd i två olika material. Diffraktion (35-3) Fig. 35-7 visar hur en våg träffar en barriär med en öppning ("enkelspalt"), vars bredd är av samma storleksordning som våglängden. Den del av vågen som passerar öppningen sprids ut bakom öppningen. Fenomenet kallas diffraktion (böjning, spridning). Om bredden på öppningen är mycket mindre än våglängden sprids vågen ganska jämnt i alla riktningar. (Mer om detta i Kap. 36) Fig. 35-7 Diffraktion av vågor i en liten öppning.

Fysik (TFYA14) Fö 5 4 Youngs interferensexperiment (35-4) Fig. 35-8 visar en principskiss för en försöksuppställning som gör att två ljuskällor som sänder i fas kan åstadkommas (vilket är svårt att åstadkomma för synligt ljus om två separata ljuskällor ska användas). Idag kan man dock använda en laser som lyser direkt på skärm B i figuren (skärm A kan alltså uteslutas i så fall). Om en betraktningsskärm placeras bortom dessa källor kan ett interferensmönster, med ljusa och mörka band ("fransar", eng. fringes), observeras. De ljusa fransarna hamnar där skillnaden i sträcka från de två källorna, ΔL, är ett helt antal våglängder. Fig. 35-8 Youngs interferensexperiment. Fig. 35-1 Skillnad i gångsträcka för de två öppningarna i Youngs experiment.

Fysik (TFYA14) Fö 5 5 Enligt Fig. 35-1 är skillnaden i gångsträcka: Δ L = d sinθ (under förutsättning att D >> d). d är avståndet mellan källorna. d sin θ = m ljusa fransar (konstruktiv interferens) 1 d sin θ = ( m + ) mörka fransar (destruktiv interferens) Fasskillnaden i en godtycklig riktning är: φ = ΔL π = πd sinθ Intensitet i Youngs interferensexperiment (35-6) (Gäller om d << ) Den resulterande vågen i en punkt på betraktningsskärmen i Youngs experiment ges av: Er = E1 + E = E sin( ω t + φr ) E1 = E sin( ωt) E = E sin( ω t + ) φ πd φ = sinθ Amplituden hos E r, dvs. E, kan bestämmas mha. fasvektorer enligt Fig. 35-13: φ β = Fig. 35-13 Fasvektordiagram för bestämning av resulterande amplitud i Youngs experiment.

Fysik (TFYA14) Fö 5 6 φ Fig. 35-13 E = E cos( ) Eftersom I är proportionell mot amplituden i kvadrat så gäller (C är en konstant): I = CE I = CE I I = E E = 4cos φ I = 4I φ cos = 4I cos πd sin θ där I är intensiteten från en källa, se Fig. 35-1. Fig. 35-1 Resulterande intensitet i Youngs experiment. Koherens Om fasskillnaden mellan de samverkande vågorna från två vågkällor är konstant, sägs vågorna vara koherenta. Detta gäller t.ex. de två vågkällorna i Youngs experiment. Om arrangemanget däremot ersätts med två separata monokromatiska (en våglängd) lampor, kommer fasskillnaden att variera slumpmässigt med tiden och det uppkommer inte något interferensmönster (se Fig 35-1). Sådana vågkällor sägs vara inkoherenta.

Fysik (TFYA14) Fö 5 7 Interferens i tunna skikt (36-7) Exempel: färgfenomen hos tunna oljefilmer på en vattenyta. Sådana färgfenomen uppkommer pga. att ljusvågor som gått olika vägar samverkar med varann, se Fig. 35-15. Fig. 35-15 En infallande våg, i, delas upp i punkten a. En del av vågen reflekteras och ger upphov till r 1. En annan del av vågen transmitteras in i det tunna skiktet och reflekteras i b. En del av denna våg går åter ut i luften vid c och ger upphov till vågen r. Interferensen mellan r 1 och r beror på skillnaden i gångsträcka och på eventuella fasskift som uppkommer vid reflektion mot media med högre värde på brytningsindex. Man kan visa att det räcker att betrakta dessa två vågor (och försumma den våg som reflekteras i c) för att kunna uttala sig om ifall interferensen blir konstruktiv eller destruktiv. Anledningen till att man betraktar tunna filmer är att skillnaden i gångsträcka inte får vara större än ljusets koherenslängd om de ska kunna interferera med konstant fasskillnad. (Koherenslängden är den maximala skillnaden i gångsträcka som fortfarande ger konstant fasskillnad mellan vågorna. Alternativt brukar man säga att koherenslängden är "längden av en foton".) Koherenslängden är olika för olika ljuskällor: Ljuskälla Solljus Urladdningslampa Spektrallinje Laser Koherenslängd (ca.) Några våglängder (några μm) mm m 1 m flera km

Fysik (TFYA14) Fö 5 8 Låt oss betrakta fallet θ =. Skillnaden i gångsträcka för vågorna r 1 och r är då L, vilket ger upphov till en fasskillnad. Till detta kommer även fasskift som uppträder vid reflektion "mot tätare medium" (medium med högre värde på brytningsindex), jfr Fig. 35-16: Fig. 35-16 En infallande mekansik våg på en spänd sträng delas upp i en reflekterad och en transmitterad våg i gränsytan mellan media med olika utbredningshastighet. (a) Om vågen reflekteras mot ett medium med högre utbredningshastighet (dvs. lägre massa per längdenhet i detta fall) så reflekteras vågen utan fasskift. (b) Om vågen reflekteras mot ett medium med lägre utbredningshastighet (dvs. högre massa per längdenhet i detta fall) så reflekteras vågen med 18 fasskift. Den transmitterade vågen fasskiftas inte i något av fallen. På motsvarande sätt som för reflektion av mekaniska vågor fås också fasskift för elektromagnetiska vågor: Typ av reflektion Fasskift Mot högre n 18 (dvs. / eller π) Mot lägre n Den transmitterade vågen fasskiftas inte i något av fallen. För att bestämma typen av interferens i Fig. 35-15 får vi skilja på två fall: Fall 1: Fasskillnaden pga. reflektion är (eller ) (t.ex. om både r 1 och r i Fig. 35-15 fasskiftas, dvs. om n > n 1 och n 3 > n ). a) Konstruktiv interferens om L = m n 1 b) Destruktiv interferens om L = ( m + ) n

Fysik (TFYA14) Fö 5 9 Fall : Fasskillnaden pga. reflektion är / (t.ex. om r 1 men inte r i Fig. 35-15 fasskiftas, dvs. om n > n 1 och n 3 < n ). a) Destruktiv interferens om b) Konstruktiv interferens om L = m n L = ( m + m är ett positivt heltal. Observera att det är våglängden i mediet med brytningsindex n (dvs. /n där är våglängden i vakuum) som är den relevanta, eftersom det är i detta medium som skillnaden i gångsträcka uppstår. Om t.ex. solljus belyser en tunn film så ser man den färg som ger konstruktiv interferens. 1 ) n Michelsons interferometer Figur 36-17 visar en Michelson interferometer. En sådan kan användas för att mäta mycket små förflyttningar. I teleskopet, T, syns ett interferensmönster med omväxlande mörka och ljusa ringar. Om den flyttbara spegeln flyttas sträckan / så kommer skillnaden i gångsträcka för de två strålarna att ändras med. Det medför att interferensmönstret flyttas ett steg (där det var ljust blir det först mörkt och sedan ljust igen under förflyttningen). Genom att räkna antalet växlingar ljust mörkt ljust i en viss punkt kan små förflyttningar mätas med hög noggrannhet. Med en känslig detektor (i stället för teleskopet) kan förflyttningar på ungefär 1 nm uppmätas. Fig. 35- En Michelson interferometer, där S är en ljuskälla, M är en halvgenomskinlig spegel, M 1 är en fast spegel och M är en rörlig spegel. T är någon sorts ljusdetektor, i detta fall ett teleskop. Avstånden d 1 och d är avstånden mellan M och M 1 respektive M.