Transcript Optyka cienkich warstw Zjawisko interferencji

Optyka falowa
Najważniejsze zagadnienie

Wstęp do optyki

Optyka falowa (ogólnie)

Optyka cienkich warstw

Zjawisko interferencji


Dyfrakcja


Doświadczenie Younga
Zasada Huygensa
Polaryzacja fali

Rodzaje polaryzacji

Jak powstają fale spolaryzowane.
Kilka słów o optyce
Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem
natury światła, prawami opisującymi jego emisję,
rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz
pochłanianie przez materię.
Optyka falowa. Pierwsze starcie
Optyka falowa jest to dział optyki, w którym
uwzględniona jest falowa natura światła. W
ramach optyki falowej badane są takie zjawiska
jak:
* interferencja
* dyfrakcja
* polaryzacja
Jednak o tym później
Zjawiska
Interferencja dyfrakcja polaryzacja są szczególnie
istotne m.in. przy przechodzeniu światła przez
szczeliny czy w optyce cienkich warstw.
Optyka cienkich warstw
Optyka cienkich warstw jest działem optyki, która
dotyczy zjawisk zachodzących w strukturach
złożonych z bardzo cienkich warstw różnych
materiałów. Aby badana struktura spełniała ten
warunek, grubość pojedynczej warstwy musi być
rzędu długości fali światła, czyli dla światła
widzialnego około kilkuset nanometrów
Filtry dichroiczne stworzone w oparciu o optykę cienkich warstw
Warstwy tej grubości mają specyficzne własności
optyczne związane z dyfrakcją i interferencją
światła oraz z różnicami w wartościach
współczynnika załamania światła poszczególnych
cienkich warstw, podłoża i powietrza. Te efekty
mają wpływ zarówno na odbicie światła jak i jego
przechodzenie przez obiekt.
Porównanie okularów z powłoką anty refleksyjna (na dole) i bez (na górze)
Wykorzystanie optyki cienkich warstw
Własności optyczne cienkich warstw są
wykorzystywane w
+niskoemisyjnych szybach w domach i
samochodach,
+pokryciach
antyrefleksyjnych,
stosowanych
między innymi w okularach oraz na zwierciadłach
+niektórych typów laserów półprzewodnikowych
+światłach odblaskowych w samochodach,
+precyzyjnych filtrach i zwierciadłach,
zwierciadłach Bragga.
Cienkie warstwy o własnościach
optycznych w naturze
Optyka cienkich warstw tłumaczy zjawisko iryzacji
i opalizacji występujące na:
* bańkach mydlanych
* plamach benzyny
* opalach
* skrzydłach niektórych gatunków motyli
* piórach pawia
Zjawisko Interferencji
Interferencja jest to 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. Interfencja fal spójnych daje
stały przestrzennie rozkład amplitudy fali.
Matematyczne podstawy
interferencji
W ośrodku liniowym, rozchodzące się z kilku
źródeł zaburzenia spotykają się w danym punkcie
P. Zaburzenie ośrodka w tym punkcie jest sumą
zaburzeń wywołanych przez poszczególne fale.
Dla najprostszego przypadku dwóch fal
harmonicznych o jednakowych amplitudach A,
jednakowej długości fali λ i zgodnych fazach
początkowych, rozchodzących się z dwóch
różnych źródeł, które leżą w odległościach
odpowiednio d1 i d2 od punktu P, zaburzenie w
punkcie P
Wzór dotyczący interferencji
Gdzie:
Gdy spełniony jest warunek
gdzie k – dowolna liczba naturalna
*Dalszy ciąg na następnej stronie.
to fale w punkcie p ulegają wzmocnieniu i:
Gdy w pewnym punkcie P1
fale się wygaszają
Interferencja fal w zależności od długości fali (wzrasta od góry ku dołowi)
i wzajemnej odległości źródeł (rośnie od lewej do prawej
Interferencja a odbicie fali
Jeżeli fala rozchodzi się w ośrodku rzadkim i
odbije od gęstego, to zmienia fazę na przeciwną
(do drogi optycznej dodaje się
). Jeśli
natomiast rozchodzi się w gęstym i odbija od
rzadkiego, to faza pozostaje bez zmian (nie
zmienia się na przeciwną).
Obserwacja interferencji
Dla zjawiska interferencji, obszar rozchodzenia się
fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma
oscylacji i miejsc, w których jej amplituda ulega
podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i
minima interferencyjne, konieczne jest, aby źródła
fal były koherentne, czyli miały tę samą fazę,
częstotliwość oraz długość. Białe światło Słońca
nie spełnia takiego warunku, dla każdej długości
fal składających się na światło białe wzmocnienie i
osłabienie interferencyjne zachodzi w innym
miejscu. Doświadczenie Younga pozwala na
obserwację tego zjawiska dla światła białego.
Doświadczenie Younga
Doświadczenie Younga – eksperyment polegający
na przepuszczeniu światła spójnego przez dwie
blisko siebie położone szczeliny i obserwacji
obrazu powstającego na ekranie. Wskutek
interferencji na ekranie powstają jasne i ciemne
prążki w obszarach, w których światło jest
wygaszane lub wzmacniane.
Matematyczny zapis doświadczenia
Warunek powstania maksimum:
Warunek powstania minimum:
k – rząd prążka (dla k = 0 powstaje najjaśniejszy prążek centralny),
d – odległość między szczelinami,
λ – długość fali padającego światła,
αk – kąt pod jakim tworzy się k-te maksimum lub minimum i może być widoczne na ekranie
(względem prostej przechodzącej przez środek odległości między szczelinami w kierunku
padającego na nie promienia światła);
wnioski
Eksperyment potwierdził falową naturę światła i stanowił
poważny argument przeciwko korpuskularnej koncepcji
światła, której zwolennikiem był Isaac Newton. Po raz
pierwszy eksperyment ten wykonał około roku 1805 Thomas
Young, fizyk angielski.
Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego
doświadczenia, polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli
płytki ze szkła, na której gęsto zarysowane są rysy pełniące
rolę przesłon pomiędzy szczelinami. Obraz interferencyjny
widoczny w tym przypadku na ekranie jest znacznie
wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie dwóch
szczelin.
Wizualizacja doświadczenia
Dyfrakcja
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 cd.
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).
Zasada Huygensa
Zasada Huygensa (czytaj: hojchensa, błędnie:
zasada Huyhensa) – sformułowana przez
Christiaana Huygensa mówiąca, iż każdy punkt
ośrodka, do którego dotarło czoło fali można
uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane
są falami cząstkowymi i interferują ze sobą.
Wypadkową powierzchnię falową tworzy
powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni
fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w
ośrodku.
Zasada Huygensa cd.
Zasada Huygensa nie określa amplitudy fali. W
ogólnym przypadku amplituda ta będzie zależała
od geometrii układu i kierunku, w którym fala się
porusza. Na przykład, jeżeli na drodze fali
znajdzie się przeszkoda z pojedynczym otworem,
wówczas, jak zauważył Gustav Kirchhoff,
amplituda fali będzie największa w tym kierunku,
w którym fala pierwotnie się rozchodziła.
Przejście fali między ośrodkami a zasada Huygensa
Wzór Kirchoffa
Kirchhoff podał przybliżony wzór opisujący zmianę
amplitudy A w funkcji kąta θ podał przybliżony wzór
opisujący zmianę amplitudy A w funkcji kąta θ
Przykład dyfrakcji i wzór
Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji
zachodzi, gdy równoległa wiązka światła (np z lasera)
przechodzi przez wąską pojedynczą szczelinę zwaną
szczeliną dyfrakcyjną. Zgodnie z zasadą Huygensa
każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym
źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co
powoduje wzmacnianie i osłabianie światła
rozchodzącego się w różnych kierunkach. Dla
pojedynczej szczeliny jasność w funkcji kąta odchylenia
od osi przyjmuje postać:
Objaśnienie wzoru
* I – intensywność światła,
* I0 – intensywność światła w maksimum, czyli
dla kąta równego 0,
* λ – długość fali,
* d – szerokość szczeliny,
* funkcja sinc(x) = sin(x)/x.
Przechodzenie przez blisko
położone warstwy
Zjawisko dyfrakcji zachodzi również, kiedy fale
przechodzą przez wiele blisko siebie położonych
warstw. Jeżeli odległość między warstwami jest
stała, kolejne maksima fali można opisać
zależnością:
d – stała siatki,
θ – kąt od osi wiązki światła,
λ – długość fali,
n – przyjmuje wartości całkowite dodatnie
Ciekawa właściwość
Fala, która omija przeszkodę mniejszą niż długość
fali nie reaguje na tak mały obiekt. Fakt ten
powoduje konieczność stosowania krótszych fal
do obserwacji mniejszych przedmiotów. Aby
obserwować strukturę krystaliczną materii,
konieczne jest użycie fal rentgenowskich.
Zjawisko dyfrakcji pozwoliło na rozwój
krystalografii rentgenowskiej, dzięki której badano
strukturę kryształów, odkryto także strukturę spirali
DNA.
Kolejne ciekawostki
W procesie produkcji układów scalonych wykorzystuje się światło
do rysowania kształtu obwodu elektrycznego na podłożu. Zjawisko
dyfrakcji zmusza producentów mikroprocesorów do zastosowania
fal dwa razy krótszych niż konieczna szerokość ścieżek struktury
układu. Dla obwodów o dokładności 0,13 μm, oznacza to
konieczność posłużenia się ultrafioletem. Jeżeli układy scalone
mają się rozwijać zgodnie z prawem Moore'a, konieczne jest
wdrożenie nowych technologii opierających się na falach coraz
mniejszej długości. Światło ulega największemu załamaniu w
narożach i zakrętach ścieżek maski, więc konstruktorzy obecnie
tak modyfikują maskę w narożach otworów i na zakrętach ścieżek,
by zminimalizować, a wręcz wykorzystać efekty dyfrakcji, długość
światła dobiera się tak by pierwsze prążki interferencyjne
równoległych ścieżek nie nakładały się w miejscach przerw między
ścieżkami, poprawiono własności emulsji. Po dokonaniu tych
zmian wyżej wymienione kryterium długości fali udało się
złagodzić.
Polaryzacja fali
Polaryzacja to właściwość fali poprzecznej
polegająca na zmianach kierunku oscylacji
rozchodzącego się zaburzenia w określony
sposób.
Co to jest polaryzacja??
W poprzecznej fali niespolaryzowanej oscylacje
rozchodzącego się zaburzenia zachodzą z
jednakową amplitudą we wszystkich kierunkach
prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.
Fala niespolaryzowana może być więc traktowana
jako złożenie bardzo wielu fal spolaryzowanych w
różny sposób.
Kiedy występuje polaryzacja
Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących
się w warunkach, w których oscylacje mogą
odbywać się w różnych kierunkach prostopadłych
do kierunku rozchodzenia się fali. Gdy jest to
niemożliwe, rozważanie zjawiska polaryzacji nie
ma sensu. Dotyczy to na przykład drgań
rozchodzących się na powierzchni membrany i na
granicach ośrodków o różnej gęstości (między
innymi fale morskie). Fale dźwiękowe również nie
podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są falami
podłużnymi.
Rodzaje polaryzacji
W zależności od kierunku oscylacji zaburzenia
rozróżnia się wiele typów polaryzacji. W
przypadku fali elektromagnetycznej rozchodzą się
oscylacje zarówno pola magnetycznego, jak i
elektrycznego. Obecnie zwyczajowo przyjęto, że
polaryzację fali elektromagnetycznej określa się
dla jej składowej elektrycznej (składowa
magnetyczna jest do niej prostopadła).
Polaryzacja liniowa
W fali spolaryzowanej liniowo oscylacje zaburzenia odbywają
się w jednej płaszczyźnie, w kierunku prostopadłym do
kierunku rozchodzenia się fali.
Płaską falę rozchodzącą się w kierunku z, a spolaryzowaną
liniowo w dowolnym kierunku, można przedstawić jako
superpozycję dwóch fal spolaryzowanych liniowo w
kierunkach x i y. Fale składowe są w zgodnej fazie lub w
przeciwfazie (przesunięte o 180°), a ich stosunek amplitud
określa kierunek polaryzacji powstającej w wyniku takiej
superpozycji fali wypadkowej.
Fala spolaryzowana kołowo prawoskrętnie.
Fala spolaryzowana kołowo lewoskrętnie.
Polaryzacja liniowa schemat
Fala płaska spolaryzowana liniowo (kolor czerwony) oraz jej
składowe w kierunkach x i y (kolor niebieski i zielony).
Polaryzacja kołowa
W polaryzacji kołowej rozchodzące się zaburzenie
(na przykład pole elektryczne lub odchylenie
cząstki ośrodka materialnego od położenia
równowagi) określane wzdłuż kierunku ruchu fali
ma zawsze taką samą wartość, ale jego kierunek
się zmienia. Kierunek zmian jest taki, że w
ustalonym punkcie przestrzeni koniec wektora
opisującego zaburzenie zatacza okrąg w czasie
jednego okresu fali.
Polaryzacja kołowa schemat
Polaryzacja eliptyczna
W polaryzacji eliptycznej rozchodzące się zaburzenie
określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze wartość i
kierunek taki, że w ustalonym punkcie przestrzeni koniec
wektora opisującego zaburzenie zatacza elipsę.
Falę spolaryzowaną eliptycznie można otrzymać przez
złożenie dwóch fal o jednakowych częstotliwościach,
rozchodzących się w tym samym kierunku, spolaryzowanych
liniowo w kierunkach wzajemnie prostopadłych, przesuniętych
w fazie o odpowiedni kąt, ale o różnych amplitudach. Można
ją także otrzymać jako złożenie fal o polaryzacji liniowej i
kołowej.
Inne rodzaje polaryzacji
W przypadku fal elektromagnetycznych są możliwe
również inne, dużo bardziej złożone rodzaje polaryzacji,
spotykane na przykład w falowodach, albo wytwarzane
za pomocą specjalnych laserów.
Przykładem może być polaryzacja radialna, w której
wektor natężenia pola elektrycznego w każdym punkcie
wiązki promieniowania jest skierowany w kierunku
centrum wiązki, lub polaryzacja azymutalna, w którym
jest styczny do obwodu wiązki[1]. Tego typu fale
zawierają często również składowe pola elektrycznego,
magnetycznego (lub obu) równoległe do kierunku ruchu
fali, nie są więc falami poprzecznymi.
Polaryzacja azymutalna i radialna
promienia lasera.
Jak powstaje fala spolaryzowana?
Istnieją zjawiska fizyczne, które powodują
powstanie fali spolaryzowanej w określony sposób
- są one zarówno spotykane w naturze, jak i
wykorzystywane technicznie.
Emisja fali spolaryzowanej
Gdy zachodzące w pewnym kierunku drgania ośrodka
materialnego powodują powstanie mechanicznej fali
poprzecznej, to fala ta jest spolaryzowana - przykładem
są drgania tektoniczne.
Fala elektromagnetyczna, której jednym ze składników
jest pole elektryczne, może powstać w wyniku
oscylacyjnego ruchu ładunku elektrycznego (na przykład
w antenie dipolowej), który z kolei wywołuje rozchodzące
się oscylacje tego pola. Powstająca fala jest
spolaryzowana liniowo, a kierunek polaryzacji leży w
płaszczyźnie wyznaczonej przez promieniujący dipol.
Emisja fali spolaryzowanej cd.
Promieniowanie cieplne, w tym także świecenie rozgrzanych
ciał, powstaje w wyniku ruchów cząsteczek w przypadkowych
kierunkach i dlatego światło emitowane przez rozgrzane ciała
nie jest spolaryzowane. Niektóre źródła promieniowania
elektromagnetycznego, w których kierunek drgań cząstek
naładowanych (na przykład elektronów) jest ograniczony (na
przykład poprzez silne pole elektryczne, magnetyczne lub
budowę i uporządkowanie cząsteczek), wytwarzają światło
spolaryzowane. Światło linii spektroskopowych powstające w
polu magnetycznym, jeżeli pole magnetyczne wpływa na
poziomy energetyczne, również jest spolaryzowane. Jeżeli
określona polaryzacja emitowanej fali nie jest wymuszona,
lecz tylko uprzywilejowana, to polaryzacja emitowanego
światła jest częściowa.
Polaryzacja światła laserowego
Światło emitowane przez lasery możne być
spolaryzowane. Przyczynami jego polaryzacji są:
* zależność wzmocnienia optycznego ośrodka czynnego
lasera od polaryzacji światła (w kryształach
anizotropowych)
* zależność strat rezonatora od polaryzacji:
* specjalnie w tym celu stosowane okienko Brewstera,
* niewielkie przypadkowe nachylenia elementów
optycznych lasera,
* nawet jeżeli wzmocnienie lasera jest izotropowe, to na
skutek wywołanych fluktuacjami termicznymi zmian
właściwości optycznych pojawia się niestabilna
spontaniczna polaryzacja, często o złożonym
charakterze.
Odbicie od ośrodka dielektrycznego
Gdy niespolaryzowane światło pada na granicę dwóch
ośrodków przezroczystych pod takim kątem (kąt Brewstera),
że promień odbity tworzy z promieniem załamanym kąt
prosty, to światło odbite zostaje całkowicie, a światło
przechodzące częściowo spolaryzowane liniowo. Zjawisko
polaryzacji przez odbicie zostało odkryte w 1809 r. przez
Malusa. Dla innych kątów padania światła, światło odbite jest
również spolaryzowane częściowo. Im kąt padania bardziej
różni się od kąta Brewstera, tym stopień polaryzacji światła
odbitego jest mniejszy. Przy odbiciach od dielektryków
nieprzezroczystych promień załamany zostanie oczywiście
pochłonięty, ale odbity jest nadal spolaryzowany.
Selektywne pochłanianie
Fala rozchodząc się w ośrodku, w którym oscylacje w jednym
z kierunków są tłumione silniej niż w prostopadłym do niego,
ulegnie polaryzacji.
Przykładem takiego ośrodka dla fali elektromagnetycznej
może być drabinka z drutów, czyli układ cienkich
równoległych drutów przewodzących prąd elektryczny.
Średnica drutów i odległość między nimi musi być mała, a ich
długość porównywalna z długością fali. Układ taki pochłania
fale, w których oscylacje wektora elektrycznego są
równoległe do drutów, a przepuszcza fale, w których jego
oscylacje są prostopadłe do drutów. Układy takie buduje się
dla fal radiowych i mikrofal.
Selektywne pochłanianie cd.
Polaryzatory dla podczerwieni i światła
widzialnego działają na takiej samej zasadzie,
lecz rolę drutów przejmują odpowiednio ułożone
cząsteczki związków chemicznych. Można to
osiągnąć poprzez rozciąganie w trakcie produkcji
folii wykonanej z odpowiedniego tworzywa
sztucznego, w wyniku czego powstaje układ
równolegle ułożonych cząsteczek pochłaniających
fale elektromagnetyczne spolaryzowane w jednym
kierunku.
Selektywne pochłanianie schemat
Polaryzacja fali elektromagnetycznej przy
przejściu przez drabinkę z drutów.
Zjawiska związane z polaryzacją
Kolejne slajdy opisują polaryzację fal
elektromagnetycznych, choć zjawiska te zachodzą
też dla fal mechanicznych, przykładowo fal
sejsmicznych rozchodzących się w Ziemi.
Dwójłomność wymuszona
Niektóre dielektryki wykazują zależność stałej dielektrycznej
od przyłożonego pola elektrycznego lub magnetycznego. W
normalnych warunkach nie są one dwójłomne, pod wpływem
przyłożonego pola uzyskują tą właściwość. Zjawisko to na
cześć odkrywcy nosi nazwę efektu Kerra i znalazło
zastosowanie do modulacji światła polem elektrycznym w
przyrządach zwanych komórkami Kerra.
Uzyskanie przez substancję dwójłomności w kierunku
przyłożonego pola nosi nazwę efektu Pockelsa i stosowane
jest do uzyskiwania sterowanych napięciem elektrycznym
płytek opóźniających fazę składowej światła o określonej
polaryzacji zwanych komórkami Pockelsa.
Skręcenie płaszczyzny polaryzacji
Wiele związków chemicznych posiada zdolność zmiany
kierunku polaryzacji przechodzącego światła. Zjawisko to
zwane jest aktywnością optyczną.
Wykazują ją te związki których cząsteczki nie posiadają
inwersyjnej osi symetrii. Cząsteczki takie mogą występować
w dwóch formach, zwanych enancjomerami, będących
wzajemnie swymi odbiciami lustrzanymi. Enancjomery
skręcają płaszczyznę polaryzacji przechodzącego światła w
przeciwnych kierunkach. Z tego powodu mieszanina
zawierająca równe ilości obydwu enancjomerów (mieszanina
racemiczna) nie skręca płaszczyzny polaryzacji.
Polaryzacja w naturze, nauce i życiu
codziennym
+Filtry polaryzacyjne
+Wyświetlacze ciekłokrystaliczne
+Projekcja obrazu trójwymiarowego
+Polaryzacja fal radiowych
+Defektoskopia
+Mikroskop polaryzacyjny
+Radioastronomia i radary
Spektroskopia
Spektroskopia – nauka o powstawaniu i
interpretacji widm powstających w wyniku
oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania
na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i
cząsteczek. Spektroskopia jest też często
rozumiana jako ogólna nazwa wszelkich technik
analitycznych polegających na generowaniu
widm.
Podsumowanie
Mam nadzieje ze ta prezentacja chociaż trochę
przybliży wam trudne zagadnienia związane z tak
fascynująca dziedziną nauki jaka jest optyka.
Uważam ze w tej prezentacji zostały zawarte
wszystkie najważniejsze informacje z zakresu
szkoły średniej. Dziękuje za obejrzenie mojej
prezentacji
Prezentacje wykonał:
Sławomir Szymaszek
all rights reserved