шпори2 / 29-35Без33

29 Початок

30

31 Початокr

29. Дифракція світла. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракція Френеля і Фраунгофера. Дифракційна гратка. Похиле падіння променів на гратку. Дифракція рентгенівських променів. Дифракція на ультразвукових хвилях.

Дифра́кція - явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад, світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна обгинати перешкоди. Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо

Принцип Г-Ф – є основним принципом хвильової оптики і дозволяє досліджувати питання, які відносяться до інтенсивності результуючої хвилі в різних напрямках. Дифракція, в якій не можна знехтувати кривизною поверхонь хвиль назив.дифракцією Френеля.

Дифракція Фраунгофера – це дифракція яка спостерігається на нескінченно віддалені відстані від перешкод на яку падає світло нескінченно віддаленого джерела.

Якщо довжина хвилі λ, порівняно з усіма відстанями перешкоди мала, то падаючу хвилю можна рахувати плоскою. Тому дифракція Фраунгофера назив. Дифракцією в параоьних пучках.

Принцип Гюйгенса-Френеля : В будь-якій точці, яка знаходиться поза поверхнею σ, світлова хвиля яка збуджується джерелом S₁ може бути представлена як результат суперпозиції когерентних вторинних хвиль, які випромінюються елементарними уявними джерелами які неперервно розділені вздовж допоміжної поверхні σ.

Дифракційна гратка- оптичний прилад представляючий собою структури з великою кільк. Регулярно розташованих на яких відбувається дифракція(парал та рівновіддалених штрихів нанесених на плоску або вгнуту оптичну поверх).

30.Відбивання та заломлення світла на межі двох діелектриків. Повне відбивання світла. Світловоди. Нормальна та аномальна дисперсія. Методи спостереження дисперсії світла. Поглинання світла. Закони Бугера та Бугера-Ламберта-Бера. Коефіціент та показник поглинання.

Нехай на границю розподілу 2-х ізотропних однотипних дыалектрикыв падає плоска ел.м. хв.. В такому випадку,від границі розподілу будуть поширюватися дві плоскі хвилі – відбивання і заломлення.

Граничні умови для ел.м. поля заключаються в тому , що в будь-який момент часу і в будь-якій точці границі розподілу виконується наступне співвідношення для тангенціальних компонент векторів напруженості ел., і магн. полів. Е_{τ 1}= Е_{τ 2} ; Н_{τ 1}= Н_{τ 2}

Де τ – позначення тангенціальних компонент векторів Е і Н на границю розподілу між середовищами. Очевидно в першому середовищі результуюче значення напруженості поля поблизу границі розподілу визначається сумрю полів падаючих і відбиваючих хвиль, а в середині другого середовища тільки полем проходящої хвилі Падаюча хв.. може бути поляризована будь-яким чином. З р-нь Максвела для плоскиз хвиль отримуємо співвідношення.

Яке в оптичній частині для прозорих діалектриків може мати вигляд

так як у цьому випадку

Закони відбив св: 1) Падаючий та відбитий промені лежать в одній нормальній до границі площині і. 2)Кут відбивання між променем і нормаллю дорівнює куту падіння.

Світловод (світлопровід)- закритий пристрій для напрямку передачі світла,

Коли промінь що подорожує у густому мідіумі натикається на перешкоду під стрімким кутом (більшим ніж критичний для даного матеріалу), то світло буде повністю віддзеркалене. Цей ефект використовується в оптичному волокні для утримування світлового випромінення у межах його серцевини. Воно просуваєтья вздовж волоска, видбиваючись вперед та назад від границі розділу двох складових кабелю. По причині того, що промінь повинен вдарити межу розділу під певним нахилом, що є більшим за критичний кут, то тільки світло, яке увійшло у систему у межах певного діапазону напрямків, може пройти через все

31. Подвійне променезаломлення. Звичайний та незвичайний промені. Поляризаційні прилади. Пластинки в четвертину хвилі і півхвилю. Обертання площини поляризації в оптично активних середовищах.

Подвійне променеве залом-ня роздвоєння світлових променів при проходженні через анізотропічне середовище, яке відбувається в зале-сті показ заломлення від напрямку електричного вектора світлової хвилі. Прицьому обидва з подвоєних променів є плоскополяризованими у взаємно перпен-них площинах. Подвійну променеву зал викорис для утворення поляр. світла. Штучне подвійне пром зал: 1. оптично ізотропне тіло при його деформації встановлюється оптично анізотропним. Макси-на різ-ця в показ заломлення для звич і для незвичайних променів перпендик до оптичної осі і зал від степеня диформації n_o – n_eo = k- нормальна напруга, k-коеф пропор, зал від влас-ті тіла. 2. оптично ізотропним діелектрик може стати опт анізотромним при внесені його в зовн електорстат поле. Це явище є ефектом Керра:B=k/,-довж хв у вакуумі, B-стала Керра. 3. виникнення штучної оптич анізотропії у ізотропній речовини під дією сильного однорідного зовн магнітногополя, наз ефектом Куттона. Різ-ця пок заломлення для звичайного і незвичайного зал від напруженості маг-го поля H: n_eo – n_o = k – H².

1) Призма Ніколя і вона являє собою призму із ісландського шпату, вирізану як показано на рисунку. По лінії АА^’ призма розрізається і склеюється канадським бальзамом, показник заломлення n=1,55. Оптична вісь складає кут 48º із вхідною гранню. При проходячому куті падіння на грань призми звичайний промінь терпить повне внутрішнє відбивання. На прошарку канадського бальзаму і поглинеться почорненою нижньою гранню. Лінійна поляризція виходячого із призми світла рівна 29º

29 Продовження

30 Продовження

31 Продовження

При падінні монохроматичного паралельного пучка світла з довжиною хвиліλ під кутом α на дифракц гратку (мал) яка складається з щілини шириною b розділених непрозр проміжк відбувається інтерференція. Врезуль утвор максимуми по формулі (d(sinα+ sinβ)=mλ) деβ кут сіж нормаллю до гратки та напрямком розповсюдження дифракц пучка.

Дифрак рентген випром явище виникаюче при пружному розсіюванні рентгенівського випромінювання в кристалах, аморфних тілах, що поширюється під певним кутом до падаючого пучка

a(cosα-cosα₀)=hλдеa,b,c-період крист

b(cosβ-cosβ₀)=kλ кутα-падаюч промін

c(cosγ-cosγ₀)=lλ кут α₀ розс промен

волокно без просочування за його межі.Є такі типи світловодів: лінзове волокно від та гнучке волокно від

З-н Бугера (I=I₀*e^-λd) де λ-показн поглинання.

Відношення потоку випромінювання що поглинулося тіло до потоку випромінювання упавшого на тіло.

наз коефіцієнтом поглинання. Показником поглинання наз величина обернена до відстані на якій потік випромінювання довжини хвилі утворюючий паралельний пучок що послаблюється в середовищі в е раз

Дисперсія світла – залежність оптичних хар. Речовини від частоти падаючого світла. Це головним чином дисперсії ∆n/∆ν показника заломлення n світла в речовині. При цьому вона називається нормальною, якщо із збільшенням частоти світла показник n збільшується, аномальною – коли зменшується. Нормальна дисп. спостерігається далеко від смуги поглинання, аномальна – на смугах. Дисперсія веде до розкладання білого світла прозорими призмами на кольоровий і частотний спектр. Дисперсія пояснюється поведінкою електронів в атомах речовини під дією елек. поля світлової хвилі, внутрішнього поля в цій речовині. Вимушені коливання електронів приводять до випромінювання ними вторинних світлових хвиль. Оскільки наведені дипольні моменти атомів залежать від частоти коливань електронів то відносна діелектрична проникність речовини ( а з нею і n) залежать від частоти світла. Накладання падаючої хвилі на елементарні веде до зміни фазової швидкості хвилі ( при нормальній дисперсії вона зростає із збільшенням довжини хвилі). Аномальна – коли із збільшенням частоти світлових хвиль показник заломлення зменшується.

В електронній теорії дисперсії світла розв’язок задачі зводиться до знаходження зміщень в елктр. з масою m. у полі хв. з рівн. їхніх вимушених коливань mS = F_em-F_m+F, де F_em = lE₀sinωt – сила дії світла на електрони F_T=aS –сила опору електроном, що веде до затухання, F=-bS –квазіпружна сила, а,b – сталі.

2) Скорочена поляризаційна призма з повітряним прошарком. Вона виготовляється також з ісландського шпату. Штрихована лінія вказує напрям оптичної осі. Відношення А^’С/АС^’=0,9 (кут 2ω привершині ρ між двома променями світла які далі після відбивання збириються в точку М наз. апертурою). Апертура падаючого світлового пучка, при якому світло повністю поляризується складає 8º.

3) поляризаційна призма з лобовою гранню ┴ до ребер. Оптична вісь ║ АВ. Склейка здіснюється канадським бальзамом чи гліцерином (n=1,47) який є прозорим придатний для ближнього у ІФ, дані призми такі α=17º20^’, А^’С/АС^’=3,2, апертура 32º6^’. Призма також робиться із повітряним прошарком її дані α=50º А^’С/АС^’=0,85, апертура 8º6^’

4) Подвійно заломлюючі призми. Призма із ісландського шпату(CaCO₃) і скла. Оптична вісь ┴ до площини нахилу n₀=1,66; n_скла=1,49, n_l=4, 8, 6... Звичайний промінь зпломлюється в шпаті і l виходить без відхилення, оскільки показник заломлення вибраний близьким до n_l.

Поляроїди являє собою плівку дуже сильно дихрот. кристалу – герипатити, одержав Герапатом в 1852р. Луска герапатиту товщиною 0,1 мм практично поглинає один з променів є лінійно поляризований. Використовуються поляроїди – автомобілі, для захисту від сліп’ячої дії зустрічних машин.

Пластинки в ¼ хвилі, товщина якої задається співвідношенням , де ...????

Пластинка в ½ хвилі: на виході з такої пластини коливання векторів H₀ E₀^’ і E_c^’ зсунуті по фазі на π ...???

32

33

34

32. Фізичні основи методу голографічного запису зображень. Схеми запису та відновлення в тонкошарових та товстошарових голограмах. Застосування голограм як носіїв інформації.

Голографія – це спосіб просторового зображення об’єкта (Габор 1948р.). Голографічне зображення тривимірне, піддається паралаксу(явне зміщення або різниця орієнтації об'єкта, що розглядається з двох різних позицій. Що далі розташований об'єкт, тим менше змінюється його візуальна позиція) при розгляді з різних положень, потребує колімації ока при розгляді його рівновіддалених деталей, чим створюється повний ефект присутності. Голограма – це фотопластинка на якій записується результат інтерференції первинного когерентного променя, та розсіяного предметом променя від того самого джерела. Промінь від лазера L роздвоюється і одна його частина падає на дзеркало М і від нього на фотопластинку, друга падає на об’єкт О, голограму якого хочу дістати. Розсіяна об’єктом світлова хвиля також падає на пластинку. Оскільки обидва пучки мають просторову і часову когерентність, то накладаючись вони дають відповідну інтерференційну картинку на фотопластинці. Саме в цій інтерфренційній картинці і зберігається інформація про про світлову хвилю, розсіяну об’єктом.

Голограми мають такі цікаві властивості:

1. негатив голограми дає таке саме зображення, як і позитив

2. частина голограми дає зображення всього об’єкта, як ціла голограма

3. на одній голограмі можна робити кілька інтерференційних знімків

4. кутова лінійна здатність голограми залежить від їхніх лінійних розмірів.

Голографія широко застосовується в оптичній техніці (бачення крізь розсіюючі середовища, світлокопії), у тривимірній фотографії, обємному кіно і телебаченні.

33. Природа процесів розсіювання. Релеївське, молекулярне, мендельштам-брюлліенівське та раманівське розсіювання світла.

В склад середовища входять молекули чи атоми о-вної реч., шо складає середовище і по сторонні частинки(пилинки ,водяні каплі…)Молекули мають розмір порядка 0,1нм , а по сторонні частинки в десятки раз більші.

Процес розсіяння світла, відбувається в запозичення молекулою чи частинкою енергії що поширюється у середовищі електро магнітної хвилі і випромінюванні цієї енергії в тілесний кут (частина простору, обмежена незамкнутою поверхнею)вершиною якого є молекула або частинка

Тобто розсіяння світла молекулою і частинкою із великого числа молекул здійсн. однаково і різниця тільки в механізмах перевипромінення.

Якщо середовище розгл.як безперервне то джерелом виступають оптичні неоднорідності середовища. В цьому випадку середовище характеризується змінним показником заломлення , а «розміри» областей на яких відбувається розсіяннявизаачаються відстанями на яких відбувається значна зміна показника заломлення.По своєму фіз.. змісту розсіяння є дифракцією хвилі на неоднорідностях середовища.

Релеєвське розсіювання - розсіювання світла тілами з розмірами, меншими за довжину хвилі. Термін релеєвське розсіювання вживається також для позначення розсіювання світла на флуктуаціях(випадкове відхилення значення фізичної величини від середнього в певній області простору чи в певний момент часу.) густини речовини. Саме таким розсіюванням зумовлений блакитний колір неба й червоний колір сонця на заході.

Релеєвське розсіювання пропорційне четвертому степеню частоти. Завдяки цій обставині блакитні промені розсіюються сильніше, ніж червоні.

Молекулярне розсіювання світла - розсіяння в макроскопічно однорідних середовищах на мікроскопіч. неоднорідностях - що спонтанно з'являються і зникають флуктуацій термодінаміч. параметрів середовища: щільності, температури і т. п.

Мандельштам-Бріллюенівське розсіювання (МБР) світла – це оптичне розсіювання, яке виникає за рахунок взаємодії оптичних і акустичних хвиль

Мандельштам і Бріллюен показали, що світло, розсіяне на теплових акустичних хвилях, повинно бути зсунутим по частоті відносно падаючого світла на величину , рівну частоті зв звукової хвилі, що відповідає за розсіювання. В дійсності ця величина повинна задовольняти умову Брегга

,

.

34. Класична та квантова теорії теплового випромінювання. Фотоефект, основні експериментальні закономірності та їх пояснення. Фотоелектричні приймачі світла. Люмінесценція світла, основні закономірності та застосування.

Всі нагріті тіла випромінюють електро магн хвилі.Нагрітим називається будь-який об’єкт температура якого більше 0 К.

На мал. зображені 3 тіла нагрітих спочатку до різних температур, знаходяться в нутрі замкненої оболонки з якої викачане повітря. Як показує дослід через деякий час температура всієї системи стане однаковою. З відси випливає, що тіла обмінялись енергією. Джерело цієї енергії тепловий рух в середині нагрітих тіл, перенощик енергії електромагнітні хвилі. Оскільки в си-мі встановилась термодинамічна рівновага то очевидно ,що при постійній температурі кожне тіло випускає стільки скільки і поглинає інакше температура змінилася б.Тіла різні і значить ії здатності до поглинання і випромінювання теж різні Тіла з більш висококою здатністю випромінювання випромінюють з одного М² одиниці часу більше чим тіла з меншою здатністю випромінювання . З відси випливає що тіла які більша випромінюють більше і поглинають.

Класична теорія

Якшо тіло поглинає все випромінювання Ю що на нього падає , то і така тіло наз абсол чорним тілом. У АЧТ ф-я Кірхгофа = випромінюючій здатності цього тіла. З відси випливає що якщо ми знаємо випромінюючу здатність для АЧТ то ми знайдемо її і для будь-якого тіла

Квантова теорія (теорія Планка)

Енергія любого виду ел маг випром в тому числі і світлового завжди склад із окремих порцій. Ці порції енергії наз квантами випромінювання і фотонами. Ен фотона залеж від частоти випром Е=hν. Світлу як і всім іншим видам ел маг випром притаманна як хвильова так і корпускулярна властивість.

Фотоефект - це явище яке відбувається при освітленні світлом речовини і виходом ел з речовини. Фотоефект являється одним з проявів корпускулярної властивості світла. Вилітання електронів з освітлених тіл наз зовнішнім фотоефектом. З-ни зовнішнього фотоефекту:

1. число електронів звільнених світлом за одну сек. пямо пропорційна світловому потоку

2. найбільша швидкість вилітаючих ел не залежить від сили світла, а визначається частотою падаючого світла ця шв. визначається за р-ням Ейнштейна:

для кожної речовини існує певна частота нижче якої фотоефект не спостеріг. Ця

де – довжина хвилі світла в середовищі, – довжина хвилі звука,  – кут розсіювання. Оскільки світло відбивається від „гратки” оптичних неоднорідностей з періодом , що рухається із швидкістю звуку , воно має допплерівське зміщення

.

Тут – частота світла, – швидкість звуку, с – швидкість світла у вакуумі, n – показник заломлення середовища; знаки відповідають двом напрямкам руху звукової хвилі

Раманівське розсіювання або комбінаційне розсіювання — непружне розсіювання світла, при якому частота розсіяної хвилі змінюється на величину частоти власних коливань молекули.

Випромінювання на частоті меншій від частоти падаючої хвилі називається стоксовим. При стоксовому випромінюванні частина енергії поглинутого фотона йде на збудження коливань у молекулі.

Випромінювання на частоті більшій за частоту падаючої хвилі називається антистоксовим. При антистосковому випромінюванні молекула віддає електромагнітному полю енергію свого коливання.

Раманівське розсіювання широко використовується для вивчення коливальних спектрів молекул, характеристики поверхні кристалів тощо.

частота наз червоною межею фотоефекту hνr=A.

Суть внутрішнього фотоефекту полягає в тому що при освітленні н/п і діелектрика від деяких атомів відриваються електрони які не виходять через поверхню тіла а залиш в середині нього.На явищі фотоефекту ґрунтується будова до фотоелементів, сонячних батарей.

Люмінесценція - випромінювання яке представляє собою надлишок над тепловим випромінюванням тіла і продовжується на протязі часу що значно перевищує період світлових коливань. По виду збудження розрізняють фото-, рентгено-, катодо,- електро-, та хемілюмінесценцію

Всі люмінесціюючі речовини мають загальну назву – люмінофори. У найпростішому вигляді процес, збудження і свічення можна зобрази­ти схемою, наведеною на рис. 1, з якого видно, що енергія вип­ромінювання молекули завжди менша від енергії збудження.

Де Н – нормальний стан молекули із станами 0,1, 2, 3, 4, З – збуджений стан молекули із станами 0,1, 2, 3, 4.

На основі цього було встановлено, що спектр люмінесценції зміщений відносно спектру поглинання в сторону довших хвиль (закон Стокса-Ломмеля). Доведено також дзеркальну подібність спектрів поглинання і спектрів випромінювання люмінесценції для складних молекул.

1 – спектр поглинання, 2 – спектр випромінювання.

Різницю між максимумом спектру поглинання і максимумом люмінес­ценції Х називають стоковим зміщенням. Чим більша величина стоксового зміщення для даної люмінесціюючої речовини, тим вища чутливість визначуваної речовини люмінесцентним методом.

Повнота перетворення енергії збудження при люмінесценції харак­теризується енергетичним виходом В_е, який являв собою відношення випромінюваної енергії люмінесценції Е_л до поглинутої енергії збудження Е_в.В_е= Е_л / Е_в.

Повноту перетворення енергії можна охарактеризувати також величиною квантового виходу люмінесценції В_к, який дорівнює відношенню числа випромінюваних квантів при люмінесценції N_л до числа поглинутих квантів N_в при збудженні: В_к= N_л / N_в.

Оскільки енергія кванта оптичного випромінювання рівна: Е = hν, то зв'язок між енергетичним та квантовим виходом люмінесценції можна виразити виразом: В_е= Е_л / Е_в = В_к (λ_в/ λ_л)

35 Початок

35. Фізичні процеси в оптичних квантових генераторах. Спонтанні та вимушені переходи, коефіціенти Ейнштейна. Інверсна заселеність рівнів. Принципова схема лазера. Характеристики лазерного випромінювання.

Оптичними квантовими генераторами (лазерами) називаються пристрої, в яких здійснюється генерація та підсилення монохроматичних електромагнітних хвиль оптичного діапазону в результаті індукованого (вимушеного) випромінювання. Індуковане - це таке випромінювання електромагнітних хвиль, коли атом переходить із збудженого стану в основний під дією зовнішнього випромінювання (фотона). Така взаємодія фотона із збудженим атомом може бути, якщо енергія h v фотона рівна різниці рівнів енергій атома в збудженому і основному станах. Всяка заряджена частинка яка рухається з прискоренням випромінює електромагнітні хвилі інтенсивність яких прямо пропорційна квадрату прискорення або квадрату амплітуди відбувається між рівневі переходи, Ейнштейн запропонував характеризувати переходи за їхньою ймовірністю (коефіцієнт Ейнштейна).

N_iE_i

B_ki

h_ik h_ik h_ki

A_ik B_ik

N_kE_k

N-заселеність рівнів. Розподіл Больцмана N_i=N₀.

Є 3 типи переходів:

1. Спонтанне випромінювання А_ік – немає зовнішнього впливу, випромінювання не когерентне, бо кожний атом випромінює в різні боки.

2. Вимушене випромінювання В_ік – когерентне (той же напрямок, частота, енергія, що і вимушуючи випромінювання).

3. Поглинання В_кі розмірність коефіцієнта Ейнштейна [с]=1/ експериментально визначається:

1. різниця інтенсивності яка входить і виходить при =const;

2. по часу життя рівнів.

При звичайних умовах заселеність N_iN_k. Щоб збільшити кількість переходів з одного рівня треба створити інверсну заселеність: N_iN_k.

()- об’ємна густина випромінювання.

Коефіцієнт Ейнштейна - визначає число переходів, що випромінюються (поглинаються) за одиницю часу з розрахунку на один атом - термодинамічна рівновага. , якщо про логарифмуємо то .

()- об’ємна густина випромінювання.

; P_ik- матричний елемент, -дипольний момент.

Для водню А_ік=10⁸(с)^-1t =10^-8(c); В_ік=В_кі- якщо не вироджений (g_i=g_k=1).

- зв’язок

між коефіцієнтами Ейнштейна.

. Розглянемо будову і принцип дії газового геліи-неонового лазера. Основним його елементом є розрядна трубка, заповнена сумішшю газів -гелію та неону. Парціальний тиск гелію - 1 мм.рт.ст., неону - 0.1 мм.рт.ст. Атоми неону є випромінюючими, атоми гелію - допоміжними, необхідними для створення інверсної заселеності атомів неону. На мал.3 зображені енергетичні рівні атомів неону і гелію.