Interferencija svjetlosti

Transcript

1 Interferencija svjetlosti

2 a) Interferencija valova (mehaničkih i svjetlosnih) je svojstvo algebarskog zbrajanja (pojačavanja i poništavanja) dva ili više vala. Na slici je prikazan val na vodi iz jednog izvora a), i iz dva izvora b). Općenito možemo reći: ako se dva vala, šireći se iz različitih izvora svjetlosti, sastanu u nekoj točki prostora oni se superponiraju ili zbrajaju dajući svjetlu ili tamnu prugu. b)

3 Uvjeti za interferenciju Da bi došlo do interferencije valovi moraju biti koherentni tj. valovi moraju imati: razliku faza koja se ne mijenja u vremenu identične valne duljine (ne može doći do interferencije npr. zelene i crvene svjetlosti) identične amplitude

4 Osnovni uvjet potreban za konstruktivnu interferenciju (zbrajanje dva ili više vala; svjetla pruga u valovima vidljive svjetlosti) i destruktivnu interferenciju (potpuno poništenje dva ili više vala; tamna pruga u valovima vidljive svjetlosti) je: valovi moraju biti potpuno isti-koherentni 1 =, A 1 = A.

5 Koherencija Ako je faza vala svjetlosti definirana u svakom trenutku kaže se da je svjetlost koherentna. Ako se faza svjetlosnog vala nasumično mijenja od točke do točke, odnosno od trenutka do trenutka, kaže se da je svjetlost nekoherentna. Na primjer, laser generira koherentnu svjetlost. U laseru, svi atomi zrače u fazi. Žarulje sa žarnom niti ili fluorescentne žarulje daju nekoherentnu svjetlost. Svi atomi u fosfornom sloju fluorescentne žarulje emitiraju u različitim vremenima. 5

6 Superpozicija Ukupna amplituda (maksimalni pomak od ravnotežnog položaja) uzrokovana kombinacijom valova je algebarska suma amplituda svakog vala pojedinačno. Ako valovi daju veći val, oni interferiraju konstruktivno. Ako se smanjuje ukupna amplituda, oni interferiraju destruktivno. 6

7 Konstruktivna i destruktivna interferencija Razlika faza nula konstruktivna interferencija. Razlika faza jedna valna duljinu konstruktivna interferencija. Razlika faza pola valne duljine destruktivna interferencija. 7

8

9 Prostorna smještenost koherentnih valova i mjesto susreta u točkama P

10 Jednadžba vala i interferencija

11

12

13

14 Ako su valovi koherentni, tada zbrajanjem mogu dati konstruktivnu ili destruktivnu interferenciju: x Razlika putova za konstruktivnu interferenciju: m m 0,1,,... Razlika putova za destruktivnu interferenciju: x m 1 m 1,,...

15 Interferentni uzorci Konstruktivna interferencija nastaje u središnoj točki Dva vala prelaze istu udaljenost razlika puteva nula (dolaze u fazi) pukotine svjetla pruga zaslon

16 Interferentni uzorci Razlika puteva valova je jedna valna duljina Dol donjeg vala preklapa se sa dolom gornjeg vala amplituda vala se povećava Vidimo svijetlu prugu svjetla pruga

17 Interferentni uzorci Gornji val putuje jednu polovinu valne duljine dalje od donjeg vala Dol donjeg vala preklapa se s brijegom gornjeg vala To je destruktivna interferencija vidimo tamnu prugu tamna pruga

18 Lloydovo zrcalo Generiranje interferentnog uzorka s jednim izvorom svjetlosti Val dolazi do točke P izravno i nakon refleksije Reflektirana zraka može se tretirati kao zraka iz izvora S 'iza zrcala Na tako dobivenom interfrentnom uzorku položaji tamnih i svijetlih pruga su invertirani u odnosu na uzorak dobiven interferencijom valova iz dva realna izvora -dolazi do promjene u fazi od 180 uslijed refleksije na sredstvu većeg indeksa loma realni izvor zrcalo zaslon

19 Drugi načini podjele valne fronte Lloydovo zrcalo S 1 S S 1 S S Fresnelovo dvostruko zrcalo S Fresnelova bi-prizma

20 Promjene faze zbog refleksije Elektromagnetski val doživljava promjenu u fazi od nakon refleksije na mediju većeg indeksa loma Analogno se puls na niti reflektira na čvrstom kraju promjena u fazi od ulazni val reflektirani val čvrsti kraj

21 Promjene faze zbog refleksije Nema promjena faze kada se val reflektira od granice sa sredstvom nižeg indeksa loma Analogno refleksiji pulsa na slobodnom kraju niti (užeta) nema promjene u fazi ulazni val reflektirani val slobodan kraj

22 prije poslije granica dva sredstva Gušće u rjeđe n 1 > n prije poslije Rjeđe u gušće n 1 < n

23 Uređaji za interfeferenciju

24 Thomas Young Thomas Young ( ) bio je engleski znanstvenik, čiji doprinos je velik u području optike (svjetlost, proces vida), mehanika, energetika.. U ovom izlaganju: valna priroda svjetlosti, interferencija, pokus na dvije uske pukotine; double slit experiment, 1801., kojim je potvrđena valna priroda svjetlosti.

25 Youngov pokus Svjetlo iz monokromatskog izvora pada na zaslon Z 1 s malim otvorom koji je ujedno točkasti izvor svjetlosti. Svjetlo iz tog izvora pada na zaslon Z s dvije rupice, S 1 i S, koje su na maloj međusobnoj udaljenosti. Otvori S 1 i S predstavljaju koherentne izvore monokromatske svjetlosti. Iza zaslona nastaje prekrivanje koherentnih valova svjetlosti, javlja se interferencija. 5

26 Rezultirajući interferentni uzorak Svjetlost iz dva proreza formira uzorak vidljiv na ekranu Uzorak se sastoji od niza svijetlih i tamnih paralelnih pruga. Konstruktivna interferencija nastaje tamo gdje vidimo svijetlu prugu Destruktivna interferencija nastaje tamo gdje vidimo tamnu prugu.

27 Youngov pokus (uređaj za interferenciju s dvije pukotine) I: monokromatski izvor svjetlosti y: udaljenost između nultog i prvog maksimuma S1 i S: koherentni izvori d: udaljenost između koherentnih izvora i zastora a: udaljenost između koherentnih izvora

28 Geometrijska razlika dviju zraka koje interferiraju na zastoru Z u točki A povezana je sa geometrijom uređaja Geometrijsku razliku puteva povezujemo sa fizikalnim uvjetom za konstruktivnu, odnosno, destruktivnu interferenciju d ay d a y d a y d x x a y d uvijet uz a y d a y d :

29 Na zastoru se pojavljuje svjetlo ako je razlika hoda cjelobrojni višekratnik valnih duljina svjetlosti, tj. m Udaljenost m-tog maksimuma svjetlosti od centralnog maksimuma je y m d a

30 Koristi Youngovog eksperimenta Youngov eksperiment s dvije pukotine mjerenje valne duljine svjetlosti Ovaj eksperiment je dao valnom modelu svjetlosti dodatnu vjerodostojnost Nezamislivo je da čestice svjetlosti mogu poništavati jedna drugu Interferencija ovisi o relativnoj fazi dva vala, odnosno o razlici puta između njih. Rezultantni intenzitet u točki je proporcionalan kvadratu rezultantnog električnog polja u toj točki. I E 1 E ne E 1 E

31 zaslon r r sin 1 d d sin m d sin m 1 d L d Konstruktivna interferencija Destruktivna interferencija m 0, 1,,... sin tan y L tan Lsin y y svjetlo tamno L m d L 1 m d

32 Interferencija na tankim filmovima Interferentni efekti obično se promatraju na tankim filmovima Primjeri su sapunice i ulje na vodi Pretpostavite da zrake svjetlosti putuju u zraku gotovo normalno na površinu filma

33 Interferencija na tankim filmovima Pravila za pamćenje Elektromagnetski valovi koji putuju iz medija indeksa loma n 1 u medij indeksa loma n prilikom refleksije doživljavaju promjenu u fazi 180 kad je n > n 1 Nema promjene u fazi prilikom refleksije vala ako n < n 1 Valna duljina svjetlosti λ n u mediju s indeksom loma n je λ n = λ/n gdje je λ valna duljina svjetlosti u vakuumu

34 Interferencija na tankim listićima 1 u 3 r D A C d l n B Razlika optičkih puteva zraka svjetlosti je: x AB n ( AD ) nd cos l x m x svjetlo m 1 tama

35 Interferencija na tankim filmovima Zraka 1 doživljava promjenu faze od 180 u odnosu na ulaznu zraku Zraka, koja se reflektira s donje površine, ne doživljava promjenu fazu u odnosu na ulazni val zrak promjena faze od 180 nema promjene faze film indeksa loma n zrak

36 Interferencija na tankim filmovima Primjer različitih indeksa loma Premaz na solarne ćelije promjena faze od 180 promjena faze od 180 zrak

37 Interferencija na tankim filmovima Dva čimbenika utječu na interferenciju Moguća promjena faze prilikom refleksije Razlike u optičkom putu Uvjeti vrijede ako je medij iznad gornje površine isti kao medij ispod donje površine Ako se tanki film nalazi između dva različita medija, od kojih jedan ima niži indeksa loma od filma a drugi veći indeks loma, uvjeti za konstruktivnu i destruktivnu interferenciju se mijenjaju

38 Lom i odbijanje svjetlosti na tankom listiću Zraka svjetlosti upada na ploču u točki A, djelomično se reflektira i to je zraka 1, a djelomično lomi u tinjac. Lomljena zraka se djelomično reflektira u točki B i tako nastaje zraka koja nakon izlaska iz tinjca putuje paralelno sa zrakom 1. Geometrisjka razlika hoda je AB AD. Optička razlika hoda je: refleksija u točki A je na optički gušćem sredstvu, a to je kao da se val zrake 1 pomaknuo u smjeru gibanja za polovinu valne dužine. Pri prijelazu u gušće sredstvo valovi postaju kraći, skraćenje je srazmjerno indeksu loma n, tj imamo u tinjcu /n. 38

39 Optička razlika u hodu je: nab AD d AB, AD dtglsin cosl sin u nsin l nd sin l AD cosl 1 sin l nd cosl d d n n sin sin u u k 1 u 39

40 Newtonovi kolobari Centar je taman zbog promjene faze od π tijekom refleksije na staklenoj pločici Za destruktivnu interferenciju r mr / n Za konstruktivnu interferencije m 1 R n r /

41 R d R Newtonovi kolobari R x R d x R R d R R d Rd x d Newtonovi kolobari su poseban slučaj Fizeauovih pruga. Koriste se za testiranje točnosti površine leća. o n Maximum x d Rd Rd Minimum x m d m n x m o m R n orm xm n or 1 m n

42 4 Newtonovi kolobari Ako svjetlost pada okomito na površinu Newtonovih stakala, za razliku hoda reflektiranih zraka na staklima vrijedi izraz: R m r d m tama R m r d m svjetlo R r d d n zraku u nalazi uređre se kad vrijede koji izrazi t t s s, 1 : 1, :, 1) _( _