Průchod paprsků různými optickými prostředími

Transkript

1 Průchod paprsků růzými optickými prostředími Materiál je urče pouze jako pomocý materiál pro studety zapsaé v předmětu: A4M38VBM, ČVUT- FEL, katedra měřeí, 05 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

2 Záko lomu a jeho důsledky α úhel dopadu, α úhel lomu Rovia proložeá lomeým paprskem a kolmicí je rovia lomu rovia dopadu a rovia lomu jsou totožé siα siα si si α α rychlosti světla v, (v ) v prostředí s idexem lomu ( ), paprsek postupuje z prostředí opticky řidšího do hustšího - lom ke kolmici v v A α k α d > a) α d B b) sklo α F α Č Lom zářeí a) moochrom. zářeí, b) působeí opt. disperze Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

3 Optická dráha. optickádráha d + d optická dráha d i i i Optická dráha - vzdáleost, jakou urazí paprsek ve vakuu za stejý čas Velikost idexu lomu - závislá a vlové délce zářeí - - disperze světla středí disperze F C F D C relativí disperze idexy lomu pro spektrálí čáry F (486, m) a C (656,3 m), D (589,3 m) Převráceá hodota- relativí disperze - Abbeovo číslo, 70 - malá disperze, 0 - silě rozkládající skla 3 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

4 Lom a odraz světla a optickém rozhraí. α 45 0 α ~ 90 0,5 α 8 0 α ~4 0,5 a) b) Lom ke kolmici pro růzé úhly dopadu α blízké 90 0 ( ) a sklo (,5), lom pod úhlemα 4 0 α ~ 90 0,5,5 α ~4 0 a) b) α α > ~4 0 Lom s úhlem dopadu blízkým mezímu úhlu, úplý odraz 4 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

5 Zpěté odrážeče. Hraol s vrcholovým úhlem 90 0, vější stěa hraolu dopad -α 0 0 vitří stěa α 45 0, α 45 0 větší ež α mezí úplý odraz α 45 0,5 a) b) Použití hraolu pro jedoduchý a dvojásobý odraz 5 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

6 Retroreflektor -koutový odrážeč S S S S 3 S 3 a) 90 0 b) S Retroreflektor (koutový odražeč), tři odrazy paprsku a stěách vystupující paprsek rovoběžý s dopadajícím paprskem Rovia polarizace odražeého zářeí je otočeá o 90 o retroreflektor pro představu uřízutý roh skleěé krychle řez - rovostraý trojúhelík, kolmice ve středu trojúhelíku roviy řezu prochází vrcholem - rohem krychle Dopad paprsků a povrch blízký kolmému opadu Optická dráha všech paprsků je shodá!!!- důsledky možost použít pro laserové iterferometrické měřeí vzdáleosti 6 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

7 Retroreflektor Specializovaý retroreflektor koutový odražeč pro laserové iterferometry přesý optický díl vyrobe ze skla, kout - vitří odrazy totálí reflexe a vitří straě ploch skleěého dílu rohu krychle rozdíl optické dráhy pod vlovou délku světla Retroreflektor i ve formě 3 odrazých zkřížeých ploch kovový koutový odražeč - pro radar a lodích viz plachetice - a stěži koutový plechový - odražeč stejý pricip maximu odrazu radarového zářeí do směru, odkud přišlo Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 7

8 .. Odrazka s koutovými odražeči b) Odrazka se skleěými kuličkami a - přesý odraz a otočeí roviy polarizace - použití pro optoel. símače b - zvýšeá odrazivost ve směru dopadu zářeí (reflexí prvky,...), využití také - projekčí pláto Skleěé kuličky částečé působeí jako retoreflektor (eplatí však otočeí roviy polarizace o 80 st. ( demo foto odraz světla oko kočky, ) Nechtěé působeí kuliček- kapéek vody - mlha odraz světla zpět k reflektoru (Výklad -jízda s reflektory v mlze, proč je vhodější reflektor vzdáleý od osy pozorováí, srováí pohledu řidič. osob. auta - versus kamio, v čem je rozdíl?) 8 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

9 Odraz světla Odraz světla povrchem SPZ automobilu - směrově selektiví odraz Podobě reflexí ášivky,.. Oči- také částečě působí jako směrově selektiví odrážeč světla (Diskuse - viz pohádkyzvířecí oči ve tmě ) 9 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

10 Odrazky Příklady odrazek pro optoelektrické símače 0 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

11 Zrcadlový a difúzí odraz světla. a) b) c) d) Odraz zářeí a povrchu : a) zrcadlovém, b) matém - difuzím, c) částečě difuzím, d) spec. odrazém povrchy - retrorelektor (odrazka) b), c) podmíka použití optoel, símačů s difuzím odrazem matý - difuzí povrch - v ideál. případě - Lambertovský zářič, využití pro kotrolu hladkosti povrchu, přechod a), c) do b) - rostoucí drsost povrchu d) realizace optických začek Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

12 Rozmítáí laserového svazku polygoem Rozmítáí laserového svazku rotujícím polygoem (Rozmítáí laseru v tiskárě BLDC motorek + polygo) zrcadlové plochy Potřeba zajistit pouze zrcadlový odraz- utost- zrcadlově čistý povrch Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

13 Zrcadlový a difúzí odraz Laserová světelá rovia a zrcadlové ploše, prachové částice a povrchu způsobují částečý difúzí odraz Důsledek přístroje požadavek čistoty povrchu optických ploch 3 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

14 Průchod zářeí částečě pohlcujícím prostředím. Útlum zářeí - část eergie zářeí - převod a jiou formu eergie, ejčastěji tepelou (absorpčí filtry), a elektrickou (optoel. sezory) počátečí itezita zářeí J0 po průchodu dráhy x - pokles a J, relativí pokles itezity zářeí J J J 0 0 α dx a zápis difereciálí rovicí dj( x) dx α a J( x) řešeí dif. rovice α J( x) J e ax 0 Itezita zářeí J klesá v absorbujícím prostředí expoeciálě. 4 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

15 Součiitel absorpce. Součiitel absorpce α a číselě rove převráceé velikosti hloubky viku zářeí. To je dráha, kterou zářeí urazí v absorbujícím prostředí, ež poklese jeho itezita J z počátečí hodoty J 0 a hodotu J 0 /e, e,788, to je ~ 0,37 x J 0 (podoba s časovou kostatou τ u přechodového děje). Čím většíα a - zářeí se tím rychleji se zářeí absorbuje - meší hloubka viku zářeí do materiálu J 0 J J e -α a x J 0 /e x hloubka viku /α a x Extikčí součiitel α - číselě - převráceá hodota tloušťky vrstvy zeslabující zářeí a desetiu původí itezity J 0, x J0 5 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

16 Výko. poměry při dopadu a průchodu zářeí prostředím Průchod zářeí růzými prostředími - ztráty, dopad zářivého tokuφ e tok Φ e - odraz, složky Φ e a Φ e3 do materiálu vikou, Φ e - absorbová, Φ e3 projde až a vzdáleost x, kde se vyhodocuje Φ e Φ e Φ e Φ e3 odrazivostρ, celková pohltivostα c, propustost τ c. celkový zářivý tok dopadající, odražeý a prošlý x ρ Φ Φ e e α c e Φ Φ e τ c e3 Φ Φ e Propustost τ c - zohledňuje i ztráty odrazem. 6 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

17 . Vlastí (vitří) - propustostτ i a pohltivost α i -vyjadřují vlastosti materiálu, euplatňují se jevy a opt.rozhraí (odrazy) zářeí viklé do prostředí, je buď pohlceo ebo projde τ i Φe3 Φ + Φ e e3 α i Φe Φ + Φ e e3 Celková vitří propustost τ i vrstvy s koef. absorpce α a o tloušťce x τ α i e x a τi αi 7 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

18 τ i 0 α cx Desita Pro popis pohltivost vrstvy materiálu, filtrů parametr hustota - desita D Dlog τ i Desita D - dek. logaritmus převráceé hodoty propustosti, čím větší desita, tím meší část zářeí projde. Pojem hustota - výzam z hlediska výkladu pohlceí zářeí v prostředí.(viz mechaická aalologie) Lambertův - Beerův záko τ 0 α i cx α - extikčí součiitel, x - tloušťka vrstvy, c kocetrace absorbérů. Absorbér - příměs způsobující pohlceí zářeí v materiálu, který by sám o sobě zářeí eabsorboval. 8 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

19 . Kocetrace absorbérů?? Příklad: čirá kapalia s barvivem, rostoucí kocetrace- (hustota) příměsových částic barviva - pokles propustosti, Voda s příměsí velmi malých částeček pevých ečistot, Smog,mraky,mlha, opar - vyšší kocetrace částic - pokles propustosti Malá kocetrace čerého barviva - kapalia šedivá -pohlceí zářeí všech vlových délek stejě. (aalogie - metro kotrola, propustost, hloubka viku) Čím větší počet absorbujících částic v prostředí větší (vyšší kocetrace), -větší pravděpodobost koicidece fotoů zářeí s příměsmi a jejich pohlceí, árůst -absorpce, pokles propustosti 9 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

20 Optický absorpčí filtr Barevý absorpčí skleěý filtr - absorpce světla u skla (přechlazeý roztok), příměsi atomů ěkterých kovů - absorpce zářeí, eovlivňují směr chodu paprsků Hmotový absorpčí filtr - izotropí opt. materiál, změa J průchodem Barevý hmotový absorpčí filtr - pohlcuje složky zářeí růzě, ovlivňuje barevé složeí světla Šedý filtr - absorpce filtru kost. (ezávisející a λ) - opticky eutrálí filtr - eutral desity filter. Šedé filtry (apř. pro pro fotografii) údaj propustosti ve formě apř. x, 4x, 8x, it. zářeí průchodem klese a /, /4, /8. šedé filtry jako optické kompoety - udaj - desita D Filtr s desitou D propustost τ i 0, 0 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

21 Desita Hodoty desity a odpovídající propustosti D 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,3,5,5 τ i [%] 50, 3,6 5, 9,9 5,8,5 0,0 5,0 3,6,00 0,3 Skládáí filtrů - sčítáí desit Neutrálí absorpčích filtry - hmotové - absorpce ve vrstvě hmoty, sklo - tloušťkyjedotky mm skleěé filtry s apařeou velmi tekou vrstvou kovu (fukci vrstvy kovu pro útlum zářeí -viz stará žárovka s wolframovým vlákem, které se částečě odpařilo a došlo k usazeí kovu a vitří stěě skleěé baňky ve formě tmavé, částečě průhledé vrstvy) Neutrálí filtry s apařeou kovovou vrstvou - desity až 4. Filtry s proměou desitou - apařea růzě tlustá vrstva kovu (apř. a mezikruží, desity od deseti až 3.) Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

22 Matice jako difuzér Matice - původě hladký povrch uprave leptáím ebo opískováím matá vrstva matice laserový svazek a) b) Použití - LED, zářivka + difuzér - pozadí pro systémy počítačového viděí (back light) Průzračý, čirý materiál - (v hmotě) eměí uspořadaý chod paprsků Průsvitý materiál - průchod paprsků světla, měí směr chodu paprsků (LED, žárovky - pouzdřeí - čirý materiál ebo matý - difusí materiál ) Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

23 Rozptylovače svazku paprsků Čočková plocha a její použití při úpravě svazku paprsků ( vroubkovaé sklo ), meší ztráty zářeí oproti klas. difuzéru.( muší oko ), rozptýleí světla při osvětleí 3 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

24 Zrcadlový a difuzí odraz světla, průchod světla. a) b) c) čiré sklo čiré sklo Odraz zářeí a: a) zrcadlovém, b) matém - difuzím, c) část. difuzím povrchu b), c) podmíka použití optoel, símače s difuzím odrazem matý - difuzí povrch - v ideál. případě - Lambertovský zářič, využití pro kotrolu hladkosti povrchu, přechod a), c) do b) - rostoucí drsost povrchu Výstup zářeí povrchem skla: d) plaparalelí skleěá deska- výstup zářeí zrcadlově hladkým a čistým povrchem e) výstup zářeí zaprášeým povrchem d) e) zaprášeý ebo matý povrch 4 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

25 Promítáí a povrch skla Promítáí obrazu a povrch skleěého válce, Působeím edokoalostí povrchu je viditelý obraz- rozptyl světla. 5 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

26 Difúzí filtry Některé příměsi (částice) do opticky čirého materiálu - sížeí itezity zářeí i změa chodu jedotlivých paprsků, Koicidece s jedotlivými částicemi -odraz, lom. Příklad - mlha ( vzduch, vodí kapky), mléko latexové látky, áhodý (směr) chod paprsků -podoba difuze molekul látek, ázev difuzí světlo. Chováí a výstupu se pak blíží zdroji difuzího světla - Lambertovskému zářiči. Průchod paprsků opticky difuzím prostředím (symbolicky) Mléčé (opálové) sklo, (osvětlovací tělesa), propouští světlo, porušuje původí uspořádáí jeho paprsků. Ztráta itezity zářeí absorpcí i tím, že se část zářeí vrací směrem ke zdroji. Zvýšeí čiitele odrazivosti ρ oproti čirému sklu, sížeí itezity prošlého zářeí (zpětý odraz zářeí směrem ke zdroji) Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 6

27 Difuzéry. Difuzéry - desky s vrstvou porušující uspořádaých chod paprsků a difuzí světlo Skleěé desky s ěkolik 0, mm tlustou vrstvou opálového skla - povrch se blíží Lambertovskému zářiči. Opticky difuzí prostředí - růzé orgaické hmoty, příp. čiré orgaické hmoty, apř. polymethylmetakrylát, s příměsmi - zalévací hmota a tzv. difuzí světloemitující diody - LED. Difuzí charakter výstupího světla - za ceu ztráty optického výkou (Příklad 3D difuzér slabší mlha -, opar laserová stopa v prostoru laserove show laserové paprsky jdoucí ahoru v úplě čistém prostředí by ebyly vidět Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 7

28 Náhrady difuzérů Matice - méě dokoalé difuzéry, z čirého skla, jeda straa se zdrsěa pískováím, leptáím), místo dopadu svazku paprsků se stává sekudárím zářičem (částečě Lambertovským - kosiovým) Matice a její použití při rozptýleí laserového svazku matá vrstva matice laserový svazek a) b) Každý bod ozářeé matice se stává sekudárím (Lambertovským zářičem)? demo matice ozářeá dataprojektorem Použití matice zviditelěí místa dopadu optického paprsku, resp. určeí místa průsečíku chodu parsku s roviou matice. Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 8

29 Náhrady difuzérů Čočková plocha - upravuje chod papsků, edochází k odrazu ke zdroji, ízká ztráta optického toku Náhrada čočkové plochy - vroubkovaé sklo, Průhledý (průzračý) objekt - eměí (lokálí) uspořádáí chodu paprsků Příklad: skleěá desky, filtry,ěkteré plastické folie, velmi teké vrstvy kovů - elektrody a LCD průsvitý objekt, (částečě průsvitý) světlo částečě prochází, jedotlivé paprsky si ezachovávají původí uspořádáí. Příklad : bílý papír, (matá) polypropyleový folie, Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 9

30 Reálý prostor jako 3D difuzér Příklad 3D difuzér Prach ve vzduchu - příklad je viditelá dráha paprsku každé místo dráhy paprsku obsahuje prachové částice, které odrážejí světlo a rozptylují jej tedy asměrují část světla i směrem k pozorovateli Prachové částice ve vzduchu - dobře rozptylují světlo Příklad způsoby rozptýleí světla prachem použití pro určeí prašosti Souvislost obsahu prachu a vodích kapéek ve vzduchu dopad a viditelost Slabší mlha opar laserová stopa v prostoru, laserové show laserové paprsky jdoucí ahoru v úplě čistém prostředí by ebyly vidět, částečky prachu a vodích kapéek rozptylují světlo (příklad reflektor v horách Tiges) Mlha malé kapéky vody, pokud rozměry řádově větší, ež vlová délka světla chováí kapek podle geometrické optiky směrový odraz důsledek světla do mlhy rozdíl pozorováí osobí a ákladí auto, proč. mlhovky co ejíže, otázka úhlu pozorovatele Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 30

31 Barevá odrazivost povrchů objektů Odrazivosti povrchu objektu ezávislá a vlové délce λ zářeí (ρ (λ) kost.), ρ (λ) <, - šedý povrch. Odrazivost závislá a vlové délce (ρ (λ) f (λ), barevý povrch Barevost povrchu - dáa růzou absorpcí světla v tekých povrchových vrstvách, zářeí se v difuzí vrstvě po průchodu odráží azpět a vystupuje ve z povrchu Barevé pygmety - atomy kovů, růzá propustost pro zářeí růzých vlových délek pojivo barevé částice a) b) ( vysvětleí - červeý začkovač a bílém papíře ebo a čerém papíře ) Využití - detekce začek - červeá začka, osvětleí - červeou LED - odraz, osvětleí - zeleá LED, modrá LED - velmi malý odraz,. Zeleá začka. barevý skleěý filtr Použití osvětlovačů s vhodě voleou barvou světla pro zjištěí vlastosti povrchu (videometrie - osvětlovač červeé LED, ifra - LED, bílé LED) bílý papír Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 3

32 Chováí zářeí a optic. rozhraí - Freselův odraz Dvě optická (dielektrická - eferomagetická a evodivá) prostředí dopad zářeí kolmo a opt. rozhraí, idexy lomu, Itezita dopad. zářeí J, ampl. itezity el. pole E. vlové impedace Z, Z, čiitel odrazu elektromag. vlěí r - pro itezitu el. pole E amplituda it. el. pole dopadajícího vlěí - E, amp. it. el. pole odražeé R a prošlé T pro čiitel odrazu vlěí a rozhraí obecě platí Z Z0 r itezita zářeí E E ef J E ef Z r Z Z N J R R Z + Z + R r E + E obecě J E ef Z Z E J E Z 0 N J T T E E ef E dosazeo pro prostředí N E J Z Z 0 E 3 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

33 . Itezita odražeého zářeí J R J R Z 0 R Z 0 + E J + při odrazu edochází ke ztrátě optického výkou J J T J R J J J T ( ) + J 4 ( + ) JT Z T 0 Amplituda it. el. pole prošlého zářeí T T + E pro idex lomu,5 (koruové sklo) je r - -0,06 pro optický výko - r - 0,04 4,.0 - J R J + Na jedom rozhraí vzduch-sklo - odraz přibl. 4% opt. výkou. 33 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

34 Průchod opt. zářeí více optickými prostředími Prostředí N,N a N3 v idexy lomu,, 3 R N J J R R E L N J T T R N3 3 J T3 T3 R+R R-R R R R kostruktiví destruktiví R R pro < < 3 budou r - a r -3 záporé r r Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

35 . Jestliže je L k ásobek polovičí vl. délky v prostředí N s idexem lomu, bude odražeá vla a optickém rozhraí N / N ve fázi s vlou odražeou a rozhraí N /N 3 a dojde k jejich složeí - iterfereci. účiek obou vl sčítátzv. - kostruktiví iterferece kde λ je vl. dél. zářeí ve vakuu (podmíka vziku stojatého vlěí v teké vrstvě, která tak je formou Fabry- Perotova rezoátoru) Pokud by odražeé vlěí s ampl. R mohlo beze ztráty projít do N (zaedbáí vlivu odrazu a rozhraí N /N ), pak by se amplituda zvětšila a R R R R+R R kostruktiví N J R R L k J E L J T N T λ R N3 3 J T3 T3 R R 35 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

36 . Výsledé odražeé celkové vlěí -amplituda it. el. pole součet R a R. Itezita zářeí je úměrá kvadrátu - odražeé zářeí itezita větší, ež by odpovídalo pouhému sečteí itezit obou zářeí působeí kostruktiví iterferece V této úvaze je použito jistého zjedodušeí ( správě - výpočet provést v iteraci.- zvýšeí itezity odražeého zářeí JR - sížeí itezita prošlého zářeí JT, čímž se opět částečě ovliví i R Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 36

37 Atireflexí vrstva Pokud obě odražeá vlěí při skládáí mají opačou fázi, pak se složky R a R se odečítají - destruktiví iterferece, sižuje se výsledá itezita odražeého zářeí. Podmíka opačé fáze obou vlěí je, aby celková optická dráha v prostředí N byla rova celistvému počtu vlových délek zářeí v tomto prostředí zvětšeému o jedu poloviu vlové délky, tedy pro k 0,,.. L ( k+ ) λ 4 Potlačeí Freselova odrazu a skle možé využitím destruktiví iterferece Sklo ( 3 ) pokryto tekou dielektrickou vrstvou λ/4 s idexem lomu o tloušťce L. Ozačeíλ/4 - optická délka vrstvy (tloušťka vrstvy je čtvrtiou vlové délky zářeí v materiálu, optická dráha zářeí ve vrstvě při běhu v jedom směru je λ/4. L λ 4 37 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

38 Atireflexí vrstva Pro úplé potlačeí odrazu J R 0- musí být velikosti složek R a R stejé. Předpokládejme, že veškeré zářeí projde do prostředí N T pak se a rozhraí /3 odrazí R což by pak po průchodu do prostředí abylo velikosti Na rozhraí / by se odrazilo zářeí o velikosti porováím vztahů: R E R r 3T E R r E + E Pro destruktiví iterfereci ( bez odrazu) musí R a R mít v místě skládáí stejou ampl. it. el. pole a (díky zpožděí v N ), opačou fázi R R R R R r E + E E E E E E Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

39 Atireflexí vrstva, vlová impedace Z prostředí N Z Z0 Z0 Z0 3 3 Z Z 3 Z Z 0 geometrický průměr vlových impedací Z ZZ3 Miimálí odraz pokud je odrazá plocha pokryta dielektrickou vrstvou (z evodivého, eferomagetického optického materiálu) o optické tloušťce λ /4 s idexem lomu rovým geometrickému průměru idexů lomu ( a 3 ) sousedících prostředí. Pak itezita prošlého zářeí J T3 bude rova itezitě dopadajícího zářeí J. Podobě je možo dokázat, že při splěí uvedeé podmíky bude odraz miimálí, pokud bude zářeí procházet opačým směrem z prostředí N3 do N, tedy ze skla do vzduchu. Proto se při požadavku miimalizace odrazu u optických dílů, apř. u čoček, pokrývají obě stray atireflexí vrstvou. Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 39

40 Atireflexí vrstva Pro sklo by byl zapotřebí (teoreticky) optický materiál s idexem lomu,3. Takový matečriál eí k dispozici 3, 5, 3 Prakticky použitelý materiál MgF (fluorid hořečatý) s,38 atireflexí vrstvou λ/4, Pro zářeí v vlové délce λ 550 m se odrazí zářeí s itezitou přibl.,6 % (pro kolmý dopad)., Pro rozmezí vl. délek 400 až 700 m bude odraz meší ež,5 % R N Lepší řešeí pro objektivy - víceásobé vrstvy MC (multi coated) 40 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

41 Atireflexí vrstva při šikmém dopadu zářeí Zjištěí rozdílu optic. dráhy paprsků a při skládáí v G, a rozhraí, v B, pak v G, paprsek v C. Určeí dráhového rozdílu pro skládáí v G paprsku a lomeého a odražeého papr. Určeí cesty CEG. - trojúhelík CFG s přepoou FG L. CEG CF L cosβ L Pro miimalizaci odrazu a atireflexí vrstvěλ/4 si α α A C B G β E β β 3 λ L L L si α F Např. pro vrstvu s,38 avržeou pro kolmý dopad zářeíλ, pak při α miima odrazu pro 0,858λ-zdálivé přeladěí atireflexí vrstvy a kratší vlovou délku (podobě pro případy maxima odrazu - olej a vodě) Ještě větší působeí u iterferečích filtrů Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 4

42 Koherečí délka zářeí Podmíkou iterferece dvou paprsků zářeí je jejich koherece. Paprsky pocházejí z jedoho zdroje, který geeruje zářeí stále stejě paprsek Z v čase t - dopad a opt. rozhraí, průchod a odraz, ávrat v čase t t + t jako Z V čase t dopadá paprsek zářeí Z geerovaého se zpožděím t a část se odráží jako Z Skládají se účiky Z a Z Pro dosažeí iterferece musí Z a Z mít shodý kmitočet a lišit se pouze fází Z Z Z Z t t t + t odraz + Z Z + Z +? 4 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

43 Koherečí délka zářeí, koherečí doba zářeí Podmíka iterferece - zdroj se esmí přelaďovat, po dobu t musí geerovat zářeí stejých vlastostí- kmitočet. (aby zářeí právě geerovaé i zářeí právě se se vrátivší byla shodá co do kmitočtu. Pokud se za dobu t částečě změí vlastosti zářeí geerovaého zdrojem, emůže dojít k plé iterfereci (kostruktiví ebo destruktiví- od plého maxima do uly), ale bude pouze pozorovatelé pouze její částečé působeí Z Z t odraz Z Z t t + t + Z + Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha? 43

44 Koherečí délka zářeí Koherečí čas zářeí - doba, po reálý zdroj geeruje zářeí téměř stejého kmitočtu, tak že může docházet k iterfereci, kde velikost iterferečího jevu paprsků (v příkladu Z a Z ) geerovaých s časovým posuem t klese a hodotu /e oproti stavu, kdyby zdroj byl zcela ideálí. A A e Z Z t t + t odraz Aalogie se dvěma ozubeími ve formě hřebeů, jak se měí výška v závislosti a jejich vzájemém posuu Z Z t ideálí zdroj, Z a Z - shodý kmitočet shodé hřebey zdroj, Z a Z - malá odchylka kmitočtu A A změa fáz. posuu 44 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

45 Koherečí délka zářeí Koherečí délka zářeí zdroje dráha, kterou zářeí oběhe za koherečí dobu. Pro uvažováí iterferečích jevů dvou paprsků daého zdroje musí být koherečí délka zářeí větší, ež je optická dráha paprsků, jejichž iterferece se uvažuje. Pokud tato podmíka eí splěa, epozoruje se iterferece, ale projevuje se pouhé skládáí itezit zářeí obou paprsků. Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 45

46 . Pozorovatelá Iterferece při dopadu a skládáí dvou koheretích zářeí ekoheretí zářeí pouhé skládáí účiku zářeí - viz. předáška. (resp. iterferece ejsou pozorovatelé) Skládáí dvou zářeí, které ejsou plě koheretí- apř. z jedoho zdroje, ale po průchodu růzé optické dráhy s rozdílem dráhy o posuem o koherečí délku - velikost iterferečího jevu dvou zářeí klese a velikost /e ( přib.) 0,37. (velikost iterferečího - jevu míí se změa velikosti v závislost a změě opt. dráhy o půl vlové délky. Plý it. jev- změa z maxima do uly, iterferece zářeí s opt. drahou s posuem o koherečí délku změa (maximu- ula) / 0.37 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 46

47 Koherečí délka zářeí, určeí Iterferečí jevy možo uvažovat u koheretího zářeí. Velmi zjedodušeě obě zářeí pocházejí ze stejého zdroje, který eměí své vlastosti- zcela kostatí vlová délka a fáze závislá pouze a optické dráze - zářeí a úseku odpovídají koherečí délce je si velmi podobé Roviá vla - elmag. harmoické vlěí x E( x, t) E0 si ω( t ) v Reálě eexistuje, eí ideálí zářeí o jedié stále vlové délce Pro určeí iterferecí - okamžitá velikost E závisí pouze a fázovém posuu, tedy dráhovém rozdílu. λ0 lc c tc l c λ λ 0 Koherečí délka zářeí l c, koherečí čas zářeí t c (příměr houslista, geerátor) λ (spektrum zářeí, pokles a ½) λ λ t c λ c 0 0 H λ λ 0 λ 47 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

48 Koherečí délky typických zářeí Bílé světlo λ m, λ 300 m - l c 900 m, tedy,6λ 0 polovod. laser -červeý λ 3 m, l c 0λ 0, tedy přibližě 30µm. Červeá LED o λ m a λ 4 m -- l c 7λ 0, přibl. 8µm mohomodový HeNe laser 0 cm jedomodový HeNe laser, až 400 m Iterferečí jevy lze uvažovat při rozdílu optické dráhy zářeí kratší, ež je jeho koherečí délka. Důsledek emá smysl uvažovat iterferečí jevy zářeí s malou koherečí délkou a plaparalelí desce Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha 48

49 Sížeí it. zářeí Fresel. odrazem a plaparalel. desce Nekoheretí zářeí, koherečí délka zářeí << L eí třeba uvažovat vzájemou iterfereci obou odražeých vlěí Ztráta optického výkou ekoheretího zářeí (uvažují se pouze dva odrazy) vzduch JT3 J Jr Jr J J R sklo J T J R vzduch J T3 Pro opt. prostředí N, N, N3 s,, 3 J T 3 r r 3 ( )( ) J pro desku ve vzduchu J J T Čiré sklo s,5 -- čiitel propustosti (celkové) 0,9, Ztráta asi 8 % itezity zářeí Freselovým odrazem 49 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha

50 Optické iterferečí filtry MC - vrstvy, určeí tloušťky a (idexu lomu) jedotlivých vrstev pro zajištěí propustosti v daém pásmu Aalogie výpočtu LC filtrů- laděé obvody,.. Nedochází (teoreticky) ke ztrátě optického výkou, ale pouze k jeho odrazu zářeí o vlových délkách, délkách, které emají projít. Efekt zrcadla. (Optický hmotový absorpčí filtr- apř. typu propust- zářeí, které epropustíabsobuje) Někdy iterferečí filtr doplě hmotovým absorpčím filtrem ( viz demo červeý filtr- předáška) Iterferečí filtry - může být úzké pásmo propustosti i 5 m. Filtr typu pásmová propust, pásmová zádrž, dolí propust, horí propust. Demostrace a předášce - optický pásmový propustý filtr 50 Před A4M38VBM 05, J. Fischer, kat. měřeí, ČVUT FEL, Praha