Základy Optiky Fyzika Mikrosvěta

1. Základy OptikyFyzika Mikrosvěta

2. Optika • Světlo: • Vlnová vs. Paprsková podstata světla • V pozdější době také kvantový přístup • Vlnová optika: • disperze, interference, difrakce, polarizace • Paprsková optika: • Zákon odrazu a lomu, geometrická optika, zákon přímočarého šíření světla(homogenní prostředí) • Kvantová optika • Fotoefekt, kvantová povaha světla

3. Šíření světla • Zdroj – vyzařují světlo • Prostředí • (ne)průhledné, průsvitné • Homogenní, (an)izotropní • Huygensův princip • Směr šířené světla je v homogenním prostředí dán přímkami kolmými na vlnoplochu. Těmto přímkám říkáme světelné paprsky. • Bodový zdroj světla: zanedbáváme rozměry zdroje

4. Princip nezávislosti chodu paprsků • Paprsky vychází ze zdroje světla, šíří se všemi směry stejně(homogenní prostředí) a chod paprsků se navzájem neovlivňuje. Putují prostředím nezávisle na sobě. • Homogenní prostředí: paprsek je přímka • Ve stejnorodém (homogenním) prostředí se světlo šíří přímočaře.

5. Paprsková optika • Zákon odrazu a lomu • Odvozuje se z Huygensova principu.

6. Odraz světla • Odražený paprsek leží v rovině dopadu • α = ´α

7. Lom světla • Závislost na prostředích vyjádřena pomoc indexů lomu • v - rychlost světla v prostředí • c – rychlost světla ve vakuu • n > 1 světlo se při průchodu láme

8. Světlo se šíří z prostředí (v1, n1) do prostředí (v2, n2). • Odvození zákona lomu (Snellův zákon) • n1> n2 : n1 je opticky hustší prostředí a n2 opticky řidší

9. Mezní úhel a totální odraz • Využití totálního odrazu: refraktometr, optické vlákno

10. Disperze světla • Vlastnost prostředí : udává rychlost světla v prostředí. Ve vakuu nedochází k disperzi. • Paprsky různých barev se lámnou pod různými úhly β. • Závisí na indexu lomu prostředí a na frekvenci světla.

11. Světlo jako elektromagnetické vlnění • Vlnění – mechanika rovnice vlny • Frekvence (f), perioda (T), vlnová délka (λ) • Analogie kruhového pohybu

12. Frekvence určuje povahu vlnění

13. Zpět k disperzi světla: • Frekvence světla se nemění ale mění se rychlost světla: • Nejmenší úhel β má fialová a největší červená.

14. Vlnová optika • Interference světla: skládání světelných vln • T. Young (1773 - 1829) • Mýdlová bublina, tenká vrstva oleje atd… • Předpoklad koherence • Koherentní jsou světelná vlnění stejné frekvence, jejichž vzájemný fázový rozdíl v uvažovaném bodě prostoru se s časem nemění • Laserové světlo

15. Youngův pokus • Prokázal vlnovou povahu světla • Zdroj koherentního záření – dutiny S1, S2 • Dráhový rozdíl Δl • Optická dráha: l=ns : Vzdálenost, kterou by světlo urazilo ve vakuu za stejnou dobu jako v daném optickém prostředí.

16. Interference – zesílení a zeslabení v místech kde se vlny stýkají • Minimum : Δl=nΔs=2k(λ/2) • Maximum: Δl=nΔs=(2k+1)(λ/2) • k=0,1,2,…

17. Difrakce • Ohyb světla • Šíření do oblasti geometrického stínu (odporuje paprskové teorii světla)

19. Polarizace světla • Nepolarizované světlo – vektor intenzity E kmitá v nahodilém směru….

20. Polarizace odrazem: • Světlo dopadá na desku a odráží se tak, že vektor E dopadá kolmo k rovině dopadu • Jde pouze o částečnou polarizaci závislou na úhlu dopadu. • Úplná polarizace jen při určitém úhlu (Brewsterův úhel)

21. Polarizace dvojlomem • Výsledkem jsou dva lineárně polarizované paprsky kmitající v rovinách na sebe kolmých • Řádný • Mimořádný

22. Polaroidy • Filtry, dvě vrstvy plastického materiálu • Polarizátor: polarizuje světlo na lineárně polarizované • Analyzátor: rozlišuje polarizované od nepolarizovaného • Optická aktivita: schopnost látek stáčet rovinu kmitání světla: cukr, oleje , bílkoviny

23. Optické jevy • Elektroopické jevy • Kerrův jev • Dvojlom je vyvolán působením elektrického pole • Pockelsův jev • Idnex lomu látky se mění v závislosti na přiloženém elektrickém poli • Mechanické jevy • Umělý dvojlom • Vyvolán mechanickým tlakem. Pokud má napětí v různých směrech látky různou hodnotu, stane se látka opticky anizotropní. • Magnetooptické jevy • Cotton-Moultonův jev • Magnetické pole vyvolává podstatně menší dvojlom než pole elektrické

24. Fotometrie • Měření a přenášení elektromagnetické energie – záření. • Zářivý tok [W]: Podíl zářivé energie vyzářené za čas Δt. • Intenzita vyzařování [W m-2]: Zářivý tok vysílaný ploškou ΔS do poloprostoru. • Intenzita ozařování[W m-2] : Zářivý tok dopadající na plochu ΔA

25. Fotometrické veličiny • Vztaženy na lidské vnímání. (350 nm – 700 nm) • Světelný tok: Schopnost zářivého toku vyvolat zrakový vjem. • Svítivost [cd]: vyzařování zdroje do prostoru s úhlem Ω. • Světelný tok[Lm]: tok vyzařovaný všesměrovým zdrojem a svítivosti 1 cd do kužele,….. • Tedy pro plný prostorový úhel

26. Osvětlení • Osvětlení tělesa 1 lux má plocha 1 m2 dopadá-li na ní rovnoměrně světelný tok 1 lm. • Lidské oko : schopno detekce nejméně 2 nlx – reakce tyčinek • Čtení : 100 lx • Práce v kuchyni : 500 lx • Osvětlení chodby: 20lx • Normy ČSN

27. Fyzika mikrosvěta