ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΔΡ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΙΝΑΣ Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης Email: binasbill@iesl.forth.gr Thl. 1269 Crete Center for Quantum Complexity and Nanotechnology Department of Physics, University of Crete Transparent Conductive Materials Institute of Electronic Structure & Laser IESL Foundation for Research and Technology - FORTH

ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ To H.M. ακολουθεί τις ίδιες αρχές λειτουργίας με το Οπτικό, με μοναδική διαφορά ότι οι φακοί είναι ηλεκτρομαγνητικοί. Βασικές Αρχές Θεωρίας του Φωτός Γεωμετρική Οπτική: Η Γεωμετρική Οπτική εξετάζει την πορεία του φωτός ως ακτίνα διερχόμενη από φακούς και υπολογίζει την θέση, το είδος και το μέγεθος του ειδώλου και του αντικειμένου Φυσική Οπτική: Η Φυσική Οπτική εξετάζει και ερμηνεύει φαινόμενα όπως η συμβολή και περίθλαση.

ΦΥΣΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ Η Γεωμετρική Οπτική ΔΕΝ απαντά σε ερωτήματα όπως: Γιατί η Διακριτική Ικανότητα περιορίζεται στο ½ του μήκους κύματος της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας; Γιατί το φώς ΔΕΝ διαδίδεται σε ευθεία γραμμή; Που οφείλονται ορισμένα ιδιόμορφα φαινόμενα όπως ο σχηματισμός κροσσών; (στα Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια τα αντικείμενα περιβάλλονται από «φωτοστέφανα» τα οποία είναι γνωστά ως «κροσσοί Frensel»)

ΦΥΣΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ Ένα μονοχρωματικό επίπεδο κύμα μπορεί να παρασταθεί με ημιτονοειδές κύμα συγκεκριμένης συχνότητας και πλάτους που διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα Για συγκεκριμένη συχνότητα, το μήκος κύματος εξαρτάται από το μέσο διάδοσης Η ένταση του κύματος είναι ανάλογη του τετραγώνου του πλάτους του Όταν το φώς διασχίζει μία επιφάνεια μεταξύ δύο διαφορετικών οπτικών μέσων, η συχνότητα του παραμένει η ίδια αλλά η ταχύτητα όπως και το μήκος κύματός του μεταβάλλονται

ΦΥΣΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ Ακτίνα φωτός εισέρχεται σε μία πλάκα υλικού με υψηλότερο δείκτη διάθλασης, με αποτέλεσμα το μήκος κύματος να γίνεται μικρότερο. Όταν η ακτίνα φωτός εξέρχεται από την πλάκα αυτή, το μήκος κύματος αποκτά το αρχικό του μέγεθος Λόγω της μεταβολής του δείκτη διάθλασης κατά τη διαδρομή που διανύει η ακτίνα φωτός, η φάση έχει μετατοπιστεί σε σχέση με μία δεύτερη ακτίνα αναφοράς που διαδίδεται στο ίδιο αρχικό μέσο

ΦΥΣΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ προσπίπτον Ανακλώμενο Η Ακτίνα φωτός προσπίπτει σε ένα λεπτό υμένιο που χρησιμοποιείται ώς επίστρωμα σε υλικό με διαφορετικό δείκτη διάθλασης Η προσπίπτουσα ακτίνα, σε μία τέτοια επιφάνεια, διαχωρίζεται σε ανακλώμενη και διαθλώμενη. διερχόμενο Αν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρή τότε θα συμβούν πολλαπλές ανακλάσεις Ανακλώμενο φώς σε υμένιο ελαίου σε νερό, εμφανίζει μία σειρά πολύχρωμών κροσσών. Τα διάφορα χρώματα προκύπτουν από ενισχυτική συμβολή των ακτίνων, αντίστοιχα με τα μήκη κύματος, εξαιτίας των μεταβολών του πάχους του υμενίου

ΣΥΜΒΟΛΗ

ΣΥΜΒΟΛΗ Πηγή Τα κύματα διαδίδονται σφαιρικά, γύρω από την πηγή Τομή σφαιρικών κυμάτων είναι κύκλοι με όλο και αυξανόμενη ακτίνα Τμήματα των κύκλων (τομές κύκλου) σε πολύ μεγάλη απόσταση από την πηγή είναι σχεδόν επίπεδα

ΣΥΜΒΟΛΗ Η Κάτοψη των κυμάτων οδηγεί σε ένα ημιτονοειδές κύμα διάδοσης το οποίο χαρακτηρίζεται από: Μήκος κύματος, λ Πλάτος του κύματος Χρόνος ή φάση 0 o λ 360 o Αλλαγή φάσης 90 o 180 o 270 o

ΣΥΜΒΟΛΗ Ενισχυτική συμβολή Ακυρωτική ή Καταστρεπτική συμβολή διαφορά φάσης των δυο κυμάτων είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του 2π, φ=0 η διαφορά φάσης των δυο κυμάτων είναι περιττό πολλαπλάσιο της γωνίας π, 0<φ<180 Φάση ονομάζεται η χρονική απόσταση δύο κυμάτων και εκφράζεται σε μονάδες χρόνου ή μήκους κύματος ή σε μονάδες γωνίας (μοίρες).

ΣΥΜΒΟΛΗ

ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Σωματίδια Κύματα δεν αποκλίνουν όταν συναντήσουν εμπόδιο αποκλίνουν γύρω από εμπόδιο. Αρχή Huygens / Αρχή Γραμμικής Επαλληλίας

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση (diffraction): ονομάζεται το φαινόμενο διάδοσης των κυμάτων. Είναι μία από τις περιπτώσεις όπου το φως εκτρέπεται από την ευθεία πορεία του Όταν το φως διέρχεται μέσα από μία λεπτή σχισμή ή οπή δεν εμφανίζεται ως ένα απλό φωτεινό αποτύπωμα σε μία οθόνη τοποθετημένη πίσω από την σχισμή, αλλά ως μία εικόνα που περιλαμβάνει φωτεινές και σκοτεινές περιοχές Το φαινόμενο της περίθλασης είναι ένα Κυματικό φαινόμενο και μόνο!!!!

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Αρχή Huygens Επίπεδο κύμα προσπίπτει σε πέτασμα, μέρος του κύματος συνεχίζει να διαδίδεται ευθύγραμμα, η άκρη του πετάσματος αποτελεί μια νέα πηγή φωτός και το κύμα διαδίδεται κυκλικά με κέντρο την άκρη του πετάσματος

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Κάθε σημείο μετώπου κύματος συμπεριφέρεται ως πηγή ενός δευτερεύοντος σφαιρικού κύματος, με ταχύτητα και συχνότητα ίδια με το πρωτεύον Επακόλουθο του φαινομένου είναι η αλλοίωση του ειδώλου μετά την σχισμή με την εμφάνιση δευτερογενών, τριτογενών κλπ ειδώλων εκατέρωθεν του κεντρικού λόγω συμβολής

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Κάθε σημείο μετώπου κύματος συμπεριφέρεται ως πηγή ενός δευτερεύοντος σφαιρικού κύματος με ταχύτητα και συχνότητα ίδια με το πρωτεύον Επακόλουθο του φαινομένου είναι η αλλοίωση του ειδώλου μετά την σχισμή με την εμφάνιση δευτερογενών, τριτογενών κλπ ειδώλων εκατέρωθεν του κεντρικού λόγω συμβολής Μεγαλύτερο διάφραγμα και μικρό μήκος κύματος

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση κυμάτων, στην επιφάνεια νερού, καθώς περνούν από στενή σχισμή

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Επίδραση μήκους κύματος στην διάδοση των κυμάτων Μήκος κύματος

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Επίδραση διαφράγματος στην διάδοση των κυμάτων

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΜΒΟΛΗΣ - ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ Συμβολή Περίθλαση Δύο σημειακές πηγές Μια εκτεταμένη πηγή Σε κάθε σημείο παρατήρησης γίνεται γραμμική άθροιση ηλεκτρικών πεδίων από τις δύο σημειακές πηγές Σε κάθε σημείο παρατήρησης γίνεται γραμμική ολοκλήρωση ηλεκτρικών πεδίων από όλες τις πηγές

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ & ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΟΤΗΤΑ Περίθλαση εμφανίστηκε και σε «Κύματα» ηλεκτρονίων! Σκιά κρυστάλλου «φωτισμένου» με ηλεκτρόνια. Φαινόμενα Περίθλασης όταν ακτινοβολία Laser φωτίζει μια ακμή

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση από περιοδικές δομές (πλέγμα)

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση από μία σχισμή a θ D Περίθλαση Fraunhofer: το περιθλώμενο φώς εξετάζεται σε μακρινή απόσταση από την σχισμή, σε αυτό που ονομάζουμε μακρινό πεδίο Αν το πέτασμα ήταν κοντά στη σχισμή, το διαμόρφωμα της περίθλασης θα ήταν πιο πολύπλοκο και συνεπώς δυσκολότερο να αναλυθεί. Η μελέτη της περίθλασης στο εγγύς πεδίο είναι γνωστή ως περίθλαση Fresnel.

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση Fraunhofer

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση από μία σχισμή το διαμόρφωμα της περίθλασης Fraunhofer από μία σχισμή αποτελείται από έναν κεντρικό φωτεινό μέγιστο που περιβάλλεται από μία σειρά δευτερευόντων μεγίστων μικρότερης έντασης (κροσσοί) Το κεντρικό μέγιστο είναι ευρύτερο από τα δευτερεύοντα μέγιστα. Το πλάτος του είναι αντιστρόφως ανάλογο του εύρους της σχισμής Όσο στενότερη είναι η σχισμή τόσο περισσότερο εκτείνεται το περιθλώμενο φώς και εμφανίζεται ευρύτερο το κεντρικό μέγιστο

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση από μία σχισμή Οι ακτίνες οι οποίες διαδίδονται παράλληλα στον οπτικό άξονα παραμένουν σε φάση και παράγουν ένα φωτεινό κεντρικό μέγιστο. Για να βρούμε τη θέση του πρώτου ελάχιστου, θεωρούμε τις ακτίνες που διαδίδονται υπό γωνία θ για την οποία η διαφορά δρόμου των ακτίνων, που διαδίδονται σε αυτή τη διεύθυνση αλλά εκπέμπονται από τις δύο άκρες της σχισμής, είναι ίση με ένα μήκος κύματος λ.

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Ένταση στην εικόνα Περίθλασης από μία σχισμή a θ D Στο Η.Μ. παρατηρείται κυρίως ο πρώτος φωτεινός κροσσός, ο οποίος είναι μεγάλης σημασίας για την ευθυγράμμιση και χρήση του Η.Μ.

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση από δύο σχισμές Το προφίλ της έντασης των κροσσών συμβολής στην πραγματικότητα διέπεται και από την περίθλαση του φωτός από κάθε σχισμή.

Σχήμα μεταβάλλεται έντονα ΚΡΟΣΣΟΙ FRESNEL Κοντά στο άνοιγμα Μακριά από το άνοιγμα Διαμόρφωση αποκτά σταθερό σχήμα

ΚΡΟΣΣΟΙ FRESNEL Η διόρθωση της εμφάνισης του πρώτου κροσσού επιτυγχάνεται με συνθήκες καλής εστίασης με τον αντικειμενικό φακό. Υπερεστίαση και Υποεστίαση του αντικειμενικού φακού οδηγούν σε εξάλειψη του κροσσού Σημαντικές εφαρμογές Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εξακρίβωση όταν οι φακοί είναι ακτινικά συμμετρικοί, διαφορετικά ο φακός παρουσιάζει αστιγματισμό ο οποίος εξακριβώνεται από το φάρδος του κροσσού Μέτρο της Δ.Ι. Ο Κροσσός αποτελεί ένα τέλειο δείγμα ελέγχου test specimen

ΚΡΟΣΣΟΙ FRESNEL Επίδραση του μέτρου «υπερεστίασης» και «υποεστίασης» υπερεστίαση

ΚΡΟΣΣΟΙ FRESNEL Επίδραση του μέτρου «υπερεστίασης» και «υποεστίασης» Μικρή υπερεστίαση

ΚΡΟΣΣΟΙ FRESNEL Επίδραση του μέτρου «υπερεστίασης» και «υποεστίασης» Ακριβής εστίαση

ΚΡΟΣΣΟΙ FRESNEL Επίδραση του μέτρου «υπερεστίασης» και «υποεστίασης» υποεστίαση

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Περίθλαση από ένα διάφραγμα Δίσκος AIRY

ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ ΣΕ ΚΥΚΛΙΚΟ ΑΝΟΙΓΜΑ Δίσκος AIRY Το διάφραγμα του φακού ΑΒ περιορίζει την οπτική δέσμη του αντικειμένου Ακόμη και σε απουσία διαφράγματος ο φακός δέχεται περιορισμένου ανοίγματος οπτική δέσμη που καθορίζεται από την καμπυλότητα του φακού Λόγω περιορισμού του φακού το σχηματιζόμενο είδωλο δεν είναι τέλειο

ΔΙΣΚΟΣ AIRY Οι ατέλειες δημιουργούνται λόγω περίθλασης στα Α και Β που οδηγούν στην ύπαρξη κροσσών συμβολής Μία σημειακή πηγή απεικονίζεται με έναν φωτεινό δίσκο ο οποίος περικλείεται εναλλακτικά από σκοτεινούς και φωτεινούς δίσκους (Airy)

ΔΙΣΚΟΣ AIRY Διάμετρος δίσκου Airy 0.612 r nsin ό : ή ύ ό ό : ί ό ύ ί ύ n : ί ά έ Η διάμετρος των δίσκων Airy καθορίζεται από το διάφραγμα του φακού και από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας από τον δείκτη διάθλασης του μέσου (π.χ. αέρα) που υπάρχει μεταξύ φακού και αντικειμένου, από την ταχύτητα, και το μήκος κύματος του φωτός.

ΔΙΣΚΟΣ AIRY Διαφράγματα και Διακριτική Ικανότητα

ΔΙΣΚΟΣ AIRY Εφαρμογή των δίσκων Airy στον ορισμό της Δ.Ι.

ΔΙΣΚΟΣ AIRY Εφαρμογή των δίσκων Airy στον ορισμό της Δ.Ι. Διακριτική Ικανότητα, Δ.Ι.: είναι η δυνατότητα ενός οπτικού συστήματος να ξεχωρίζει δύο αντικείμενα και ορίζεται ως η ελάχιστη απόσταση ωστέ να φαίνονται δύο αντικείμενα ξεχωριστά και όχι συγκεχυμένα ως ένα. Όσο μικρότερη απόσταση τόσο μεγαλύτερη η Δ.Ι. Κριτήριο Rayleigh.: το όριο στο οποίο δύο δίσκοι μπορούν να διακριθούν σε δύο ξεχωριστές οντότητες.

ΚΡΙΤΗΡΙΟ RAYLEIGH Το κριτήριο διαχωρισμού δύο ειδώλων που προέρχονται από δύο όμοιες πηγές που δημιουργούν κύκλους Airy, είναι η απόσταση μεταξύ των δύο κέντρων να συμπίπτει με την ακτίνα του πρώτου σκοτεινού κύκλου. Η ένταση των δύο κορυφών Α και Β πέφτει κατά 19%... 0.61 nsin Για πράσινο (500 nm) φώς 0.61 0.5 1.. 0.2 m 1.5 sin 69 2