Interferenční mikroskopie

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Interferenční mikroskopie"

Rostislav Esterka
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Interferenční mikroskopie J. Kuběna ÚFKL Přírodovědecká fakulta Masarykovy University Učební pomůcka ke studiu optiky, verse 6

2 Úvod Následující série obráků je aměřena na objasnění funkce interferenčních mikroskopů, jimiž le vyvolat umělý kontrast struktury preparátu. U mikroskopu na odra (Zeiss -Epival) jde o strukturu povrchového reliéfu, u mikroskopu na průchod (Zeiss -Peraval) může jít i o strukturu indeu lomu v objemu preparátu při jeho konstantní tloušťce. V teoretické části presentace je na ákladě numerických výpočtů interferenční intenity při dvoupaprskové interferenci demonstrován vliv koherenčních vlastností interferujících paprsků na roložení intenity v orném poli mikroskopu. Veperimentální části, jsouna digitálních mikrofotografiích mikroskopu demonstrovány jevy, s nimiž se setkáme ejména při seřiování mikroskopů. Grafy interferenční intenity jsou de výsledkem softwarové analýy digitálního obráku. Tato presentace navauje pojmový aparát užívaný v přednášce Principy moderních optických obraovacích metod a je aměřena na praktickou obsluhu mikroskopů. 2

3 Schéma mikroskopu na odra - Epival preparát P Q body P a Q v rovině meiobrau splynou kondenor Výměnné štěrbiny jako droj objektiv dělič svaku polopropustné rcadlo barevné filtry halogenová žárovka Velikostí a natáčením štěrbin měníme velikost koherenční šířky v rovině meiobrau A B kompenátor dráhového posuvu roštěpení obraů rcadlo Dvou paprskový interferometr P A Q A P A= Q B P B P B roštěpení obrau měna směru paprsku B orné pole (sklon vlnoplochy B) mikroskopu vlnoplochy A a B v rovině meiobrau fáově posunuté o (původně jedna vlnoplocha) r 3

4 Schéma mikroskopu na průchod -Peraval barevný filtr halogenová žárovka štěrbina jako droj preparát kondenor objektiv P Q body P a Q v rovině meiobrau splynou Velikostí a natáčením štěrbiny měníme velikost koherenční šířky v rovině meiobrau dělič svaku A B kompenátor dráhového posuvu roštěpení obraů rcadlo P A Q A P B měna směru paprsku B (sklon vlnoplochy B) vlnoplochy A a B v rovině meiobrau fáově posunuté o (původně jedna vlnoplocha) Dvou paprskový interferometr P A= Q B P B r orné pole mikroskopu roštěpení obrau 4

5 Interferenční intenita Zorné pole vlnoplochy B A Teoretická část: Dvoupaprsková interference 2π I (, α ) = I + I + 2γ γ I I cos( ) P A A y Q A P B Q B r α P A Q B Q A P B B t s A B Vtah dráhového rodílu a souřadnice λ = 2 tan( α / 2) Stupeňčasové koherence γ (, δ ) t = ep( Stupeň prostorové koherence γ s 2 4δ sin( π r β ) ( r, β ) = π r β 2 ) 5

6 Stupeň časovékoherence Závislost stupně časové koherence na dráhovém rodílu měřeném v jednotkách koherenční délky δ δ = λ 2 0 λ 6

7 Stupeň prostorovékoherence Závislost stupně prostorové koherence na roštěpení r měřeném v jednotkách koherenční šířky β β = λ 0 a s 7

8 Úhel vlnoploch α = 10 o Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry α Velký úhel působuje rychléstřídání maim intenity, malá koherenční délka (bílé světlo) pak jejich rychlý pokles. 8

9 Úhel vlnoploch α = 3 o Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Malý úhel mei vlnoplochami působí pomaléstřídání maim intenity. Roštěpení obraů je v grafech je vynačeno červenými kroužky u intenitní osy. Jeden kroužek namená, že roštěpení je nulové. 9

10 Úhel vlnoploch α = 0.2 o Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Vlnoplochy jsou téměř rovnoběžné, intenita k okrajům orného pole klesá(v bílém světle nemástejnou barvu). 10

11 Dráhový posuv pro 0 je0.1λ Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Vlnoplochy se protínají mimo střed orného pole. Roštěpení obraů de a na předchoích grafech bylo nulové. Stupeň prostorové koherence byl roven 1. 11

12 α = 10 ο, β = 10 µm, r = 2 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Roštěpení obraů je de 2 mikrometry, stupeň prostorové koherence klesá. V porovnání s grafem na str. 8, maimum intenity kleslo. 12

13 α = 10 ο, β = 10 µm, r = 5 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Roštěpení 5 mikrometrů, maimum intenity dále kleslo, protože stupeň prostorovékoherence se s rostoucím roštěpením dále menšuje. 13

14 α = 10 ο, β = 20 µm, r = 10 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Roložení intenity je stejné, jako na předchoím grafu přes to, že roštěpení se dvojnásobilo. Je to tím, že jsme koherenční šířku takédvojnásobili. 14

15 α = 10 ο, β = 10 µm, r = 9 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Interferenční jev má malou viditelnost. Je to tím, že koherenční šířka je jen o málo větší než roštěpení. Uprostřed orného pole je ale stále maimum interferenčního jevu. 15

16 α = 10 ο, β = 10 µm, r = 11 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Zde je roštěpeníjen o málo větší nežje koherenční šířka. Stupeň prostorové koherence je v tomto případě áporný, a proto je uprostřed minimum. 16

17 α = 10 ο, β = 10 µm, r = 15 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Minimum uprostřed ůstává, interference má lepší viditelnost přes to, že roštěpení dále vrostlo. Stupeň prostorovékoherence je asi

18 δ = 3λ, 0 = 3λ, r = 0 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Maimum interferenčního jevu leží mimo střed orného pole. Posuvem jednévlnoplochy nastavíme maimum opět do středu. 18

19 δ = 10λ, 0 = 3λ, r = 0 µm Závislost interferenční intenity na souřadnici pro uvedené parametry Velký počet maim v orném poli je důsledek velkékoherenční délky (ařaení žlutého filtru). 19

20 Eperimentální část: Hrana tenkévrstvy, malé roštěpeníobrau B A Zeleně je kreslen součet intenit všech barev G+B+R. Červeně intenita po odečtenípoadí. Pás pro analýu intenity digitální fotografie 20

21 Hrana tenkévrstvy, většíroštěpeníobrau, viditelnost interferenčního jevu poklesla Nastal pokles viditelnosti. Větší roštěpení obrau působilo pokles stupně prostorové koherence. 21

22 Hrana tenkévrstvy, většíroštěpeníobrau, užšíštěrbina, viditelnost se lepšila r B A 22

23 Vliv posuvu vlnoplochy B, stejný úhel Vlnoplocha se posunuje B Body nulového fáového rodílu odpovídajíi ma 1 A

24 Bílésvětlo Všimněte si symetrického roloženíbarev kolem nultého interferenčního řádu, který je bílý. Hloubka oubku dobře patrnáv bílém světle je důležitá pro měření tloušťky vrstev větších než λ/2. 24

25 Zelený filtr Trochu větší koherenčnídélka dosažena vložením eleného filtru. Výsledný interferenční jev však určuje nejen propustnost vloženého filtru, ale i filtry ve fotoaparátu. 25

26 Žlutý filtr Koherenční délka je řetelně větší než u eleného filtru. Žlutý filtr má střední vlnovou délku 580nm a spektrální šířku 50nm. 26

27 Zviditelnění reliéfu malým roštěpením nečistota r Velkéroštěpení r, paprsky neinterferují, protože nejsou prostorově koherentní. Reliéf povrchu (hrana) není vidět. Hrana tenkévrstvy Al na povrchu. Roštěpení je malé, oba paprsky interferují, vlnoplochy jsou téměř rovnoběžné. Kromě hrany je viditelněn i jemný reliéf povrchu. 27

28 Růnéobraeníhrany tenkévrstvy Malé roštěpení, dráhový rodíl 0 je asi čtvrtina lambda. Podobně obraí hranu Nomarského kontrast, u něhož je roštěpení konstantní. B A h 2h 0 I( 0 + 2h) I 0 I(- 0-2h) I( 0 ) 28

29 Jiné viditelněníreliéfu povrchu Stejné oblasti povrchů preparátu, malé roštěpení, viditelněný reliéf povrchu Růný dráhový rodíl 0 odpovídá a barvu poadí Maléjamky mají jinou barvu. Hrana povrchového reliéfu překrytávrstvou Al Jak rolišíme jamky od kopečků? 29

30 Vliv růného úhlu vlnoploch α B α A Obra hrany tenké vrstvy při malém roštěpení. Když roštěpení většíme, le pak měřit nenámou tloušťku tenké vrstvy. Vi následující obr. 30

31 Měřenítloušťky tenkévrstvy P1 P2 Pásy obrau pro numerickou analýu intenity Výsledek numerickéanalýy λ 2 intenita B A r Vlnoplocha B, roštěpenío r Vlnoplocha A mápo odrau schodek 2 (otisk reliéfu povrchu) Krycí vrstva, často hliníková, aby měna fáe po odrau byla stejná Tenkávrstva tloušťky Podložka =? 31

Podobné dokumenty

Praktikum školních pokusů 2

Praktikum školních pokusů 2 Optika 3A Interference a difrakce světla Jana Jurmanová Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity, Brno I Interference na dvojštěrbině Odvod te vztah pro polohu interferenčních