Optika

Jitka Prokšová

OPTZ,Súvodní přednáška

• Proč vidíme předměty kolem nás a jak vnímáme barvy?

• Proč je obloha modrá?

• Proč jsou mokré předměty tmavší než suché?

• Jak vzniká duha?

• Může být Slunce zelené?

• Jaký je princip polaroidů?

• Jak vznikají optické přeludy?

• Jak funguje noktovizor (infrahled)?

• Proč světlušky svítí?

• Kdo první změřil rychlost světla?

Obsah přednášky OPTZ, S

1. Podstata světla a jeho šíření

2. Geometrická optika

3. Vlnová optika

4. Průchod světla prostředím

5. Základní pojmy z fotometrie

6. Základy holografie a nelineární optiky

7. Fyziologie vidění

8. Atmosférická optika

Vývoj názorů o světle

příčiny a podstata zrakového vjemu,

základní zákonitosti světelných jevů, rychlost světla, vzájemné působení světla a hmoty.

Geometrická (paprsková) optika

Základy:

Euklides (300 p.K.) – zákon odrazu světla pro rovinná i kulová zrcadla („Světlo se šíří z očí, protože při jejich zavření je tma.“)

• Isaac Newton

(1643 - 1727)

emanační

(korpuskulární)

teorie světla

• světelný paprsek – složen ze světelných částic (tvaru koule), šířících se přímočaře podle zákonů klasické mechaniky

• odraz světla – odraz dokonale pružné částice (koule)

• lom světla – způsoben přitažlivostí mezi světelnými částicemi a lámavým prostředím,

– změna rychlosti částice při přechodu z jednoho prostředí do druhého (nesouhlas: chybné rychlosti šíření částic)

• interference

– Newtonovy kroužky – výklad: jev, který dokazuje vlnovou povahu světla, spojoval Newton s periodičností nebo s kmitáním prostředí

Vlnová a elektromagnetická teorie světla

• Christian Huygens

(1629 - 1695)

1678: undulační (vlnová) teorie

• Thomas Young

( 1773 - 1829)

1801: uznání vlnové teorie (vysvětlení interferenčních jevů)

Huygensovy předpoklady• světelný rozruch jako pružný impuls šířící se éterem (který zaplňuje i

vnitřek předmětů)• každý bod, do kterého vlnění dospělo, se stává zdrojem nového rozruchu

Huygensovy objevy• polarizace světla v krystalech• světlo je příčné vlnění

Paradox:

korpuskulární teorie vysvětlovala interferenci světla (chybně) - vlnová ne

• Augustin Jean Fresnel

(1788 - 1827)

1820: příčné vlnění

James Clerk Maxwell

(1831 - 1879)

Heinrich Rudolf Hertz

(1857 - 1894)

1890: získal pomocí kmitavého obvodu elektromagnetické vlny o krátké vlnové délce a ukázal, že se spojují a odrážejí jako vlny světelné

Kvantová teorie světla

Max Planck Albert Einstein

(1858 - 1947) (1879 - 1955)

Optické jevy – dualismus:

světlo má vlastnosti, které svědčí o jeho vlnové povaze a jiné, které dokazují korpuskulární charakter

Kvantová optika:

teorie, která popisuje jak vlastnosti světla, tak vlastnosti atomů, de Broglieho vztahy – přechod od korpuskulární teorie k vlnové teorii

Renesance optiky (objev laserů, aplikace v informatice, optoelektronice)

Světlo v paprskové optice

Jednoduchý optický přístrojcamera obscura

přímočaré šíření světla (stínítko vzdáleno 30 cm od otvoru o průměru 0,8 mm)

Světlo - elektromagnetická

vlna

Postupná elektromagnetická vlna:

• vektor intenzity elektrického i magnetického pole je vždy kolmý na směr šíření vlny

• příčné vlnění

Polarizační jevy

• přirozené světlo

(přímé sluneční světlo, žárovka, plamen svíčky...) - nepolarizované

Vznik lineárně polarizovaného světla:

• odrazem

• lomem

• úplným odrazem

• dvojlomem

• absorpcí (dichroismus)

• rozptylem

• interferencí

Užití polarizace

• polarizační filtry(tlumení nežádoucího osvětlení, odlesků při fotografování)

• fotoelasticimetrie(umělý dvojlom - ke zjištění mechanických napětí v modelech z plexiskla)

• elektrooptické jevy(modulace světelného svazku)

Skládání a ohyb světla

• Výrazným projevem vlnových vlastností světla, zejména u světla monochromatického, je interference a difrakce.

• Jev spočívá ve skládání různých příspěvků vlnění v daném místě.

• Jeho projevem je vznik interferenční nebo difrakční struktury - u monochromatického světla se objevují světlé a tmavé proužky,

u bílého světla jasné centrální maximum a spektrálními pásy jednotlivých řádů.

• Pro pozorování interference je důležitá koherence světla, tedy dobrá definovanost a uspořádanost světla (světlo z různých zdrojů má v daném místě stejnou fázi, neměnící se s časem).

• U přirozených zdrojů nedovoluje sítnice našeho oka interferenční jevy pozorovat. Je schopna zaznamenat změnu intenzity světla, trvá-li alespoň 1/10 sekundy.

• Lasery: koherentní paprsky monofrekvenčního světla s vysokou intenzitou.

• Základ pro holografii.

Skládání (interference) světla

Ohyb (difrakce) světla

Ohyb světla na kruhovém otvoru:

Ohyb světla na mřížce:

Užití interference

• protiodrazové vrstvy

(porézní vrstva kryolitu: n = 1,34)

• interferenční filtry

(pološířka filtru: rozdíl vlnových délek, při nichž klesne propustnost na 1/2)

• odrazové vrstvy, dielektrická zrcadla

(kombinace více vrstev - vysoká hodnota n)

Průchod světla prostředím

Rozptyl světla

Podle toho, zda se rozptylem mění nebo nemění vlnová délka světla, rozeznáváme:

• I. bez změny vlnové délky světla:a) molekulární rozptyl v homogenním prostředí

b) Rayleighův rozptyl v nehomogenním prostředí

• II. se změnou vlnové délky světla:Ramanův rozptyl

Rozklad světla

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.cs.helsinki.fi/u/pjetter/spektrum.jpg&imgrefurl=http://www.cs.helsinki.fi/u/pjetter/&h=480&w=640&sz=14&tbnid=FOztgZBWNbgJ:&tbnh=101&tbnw=135&start=2&prev=/images%3Fq%3Dspektrum%26hl%3Dcs%26lr%3D%26sa%3DG

Základy holografie

Fyziologie vidění

Atmosférická optika

Kvantová optika