Optik

Optik

Föreläsning 17/3 2010

Samverkan mellan atomer/molekyler och ljus

atomkärna

elektroner

Elektronmolnet svänger i takt med ljuset och skickar ut nytt ljus

Ljustransmission i material Absorption

atomkärna

elektroner

Värme

När frekvensen på ljuset stämmer med

atomernas/molekylernas egenfrekvens absorberas energin och blir till värme

Transmission och absorption i glas

Glas släpper igenom synligt ljus, men absorberar UV och IR

Genomskinlighet kräver homogena material

De flesta material är inte genomskinliga ….

Reflektion, spridning och absorption

Absorption och spridning av olika våglängder

Den röda bollen absorberar blått och grönt men reflekterar rött.

Belysning med

rött ljus Belysning med _{grönt ljus}

Hur kan vi se färger

• Känselceller i ögat: tappar och stavar • Tappar känsliga i olika våglängdsområden • Omvandlar ljusimpuls till elektrisk signal

Färgblandning

Fig. 27.09

Bildpunkter ”Pixlar” Färgsubtraktion

Y = - B

C = - R

M = - G Cyan, Magenta,

och Gult (Y) är komplementfärger

Färgtryck C M Y K C + M = B M + Y = R C + Y = G Färgtryck Såpbubblors färg + = Destruktiv interferens Såphinna Utsläckning av R, G el. B C, M, Y Ljusspridning – Rayleigh

• Beror av våglängden Spridning 1₄

λ

∝

Ljusspridning – Rayleigh

• Beror av våglängden Spridning 1₄

λ

∝

Miespridning av större partiklar

• Sprider vitt ljus (ej våglängdsberoende)

Vattendroppar i moln

Reflektion och Heros princip A

B

B’

Reflektion och Heros princip A B B’ Infallsvinkel & reflektionsvinkel är lika stora

Fermats princip – snabbaste vägen

Livräddare

Person i sjönöd

Infallsvinkel & brytningsvinkel INTE_{lika stora}

Snells lag

Optiskt tunnare material Optiskt tätare material θ θθ θ₁ θ θ θ θ₂ 2 2 1 1

sin

θ

n

sin

θ

n

=

Snells lag Ljusbrytning θ θθ θ₁ θ θ θ θ₂ 2 2 1 1sinθ n sinθ n = n2> n1 θ θ θ θ_r= θθθθ₁ För att energin ska bevaras reflekteras en del av ljuset Bilbackspegel Normalt läge, dagsljus

Reflektionen i speglande metallyta. Reflekterad intensitet ≈ inkommande intensitet

Avbländat läge, mörker

Reflektionen i gränsytan luft/glas Reflekterad intensitet < inkommande intensitet

Totalreflektion θ θ θ θ_c Kritisk vinkel > θθθθ_c Praktisk tillämpning av totalreflektion

Kärna av glas eller plast, n ≈ 1.62

Beläggning, n ≈ 1.52

Fiberoptik

Dispersion

Ljusbrytningen är våglängdsberoende

Dispersion i regndroppar

Ljusbrytning i linser: Konvex lins

Brännvidd Fokus

Konvergerande ljusbrytning

Ljusbrytning i linser: Konkav lins

Brännvidd

Divergerande ljusbrytning

Mikroskopet Linsfel Ögat _Brytningsfel Korrekt brytning: Översynthet: Närsynthet: Synkorrektion Korrekt brytning:

Översynthet – konvergerande lins: Närsynthet – divergerande lins:

Polarisation

E-fältets riktning

Polarisation

Icke polariserat ljus Polariserat ljus Polariserat ljus

Polarisation vid reflektion Fluorescens

E0 E1 E2 hf E = Absorption Emission

Fluorescensspektrum Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER Ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemmision

E0

E1

E0

E1

Grundtillstånd: Inverterat tillstånd:

Genom att ”pumpa” molekylerna till ett exciterat tillstånd kan en inverterad population erhållas.

Spontan emission E0 E1 Stimulerad emission E0 E1

Laserkavitet ger resonans

100 % reflekterande spegel 99 % reflekterande spegel Laserljus

Förstärkning av ljus vid en viss våglängd Lasermedium

Pump

Historisk utveckling

• 1916 – Lasereffekten

förutspåddes av Albert Einstein • 1960 – Den första lasern:

Theodore Maimann, Rubinlasern • later 1960 – Första gaslasern

(HeNe)

• 1970 – laserdioder vid rumstemperatur

Theodore Maimann, Nobel priset i fysik 1983/84

Tvåfotonlaserskanning-mikroskopi x z y Huden i 3D Image by C. Simonsson Sammanfattning - Optik

• Transmission av ljus i material • Färger och färgblandning • Ljusspridning • Absorption • Fermats princip • Reflektion • Ljusbrytning • Totalreflektion • Dispersion

• Linser och optiska system • Ögat

• Polarisation • Fluorescens • Laserljus

Nästa gång: 24/3, Studiebesök RUAG space

RUAG space