VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ



Podobné dokumenty
ANALÝZA MĚŘENÍ TVARU VLNOPLOCHY V OPTICE POMOCÍ MATLABU

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

POČÍTAČOVÁ SIMULACE VLIVU CHYB PENTAGONÁLNÍHO HRANOLU NA PŘESNOST MĚŘENÍ V GEODÉZII. A.Mikš 1, V.Obr 2

VYUŽITÍ GRAPHICAL USER INTERFACE PROGRAMU MATLAB PŘI VÝUCE OPTIKY

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

VÝUKA OPTIKY V MATLABU. Antonín Mikš, Jiří Novák katedra fyziky, Fakulta stavební ČVUT v Praze

Tabulka I Měření tloušťky tenké vrstvy

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

Vlnové vlastnosti světla. Člověk a příroda Fyzika

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI DIFRAKČNÍCH JEVŮ V OPTICE

SOFTWARE PRO ANALÝZU LABORATORNÍCH MĚŘENÍ Z FYZIKY

Digitální učební materiál

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

13. Vlnová optika I. Interference a ohyb světla

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

Laboratorní práce č. 3: Měření vlnové délky světla

Praktikum školních pokusů 2

Youngův dvouštěrbinový experiment

Software Dynamická geometrie v optice. Andreas Ulovec Andreas.Ulovec@univie.ac.at

Optika pro mikroskopii materiálů I

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

VY_52_INOVACE_2NOV67. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 9.

27. Vlnové vlastnosti světla

Cvičení Kmity, vlny, optika Část interference, difrakce, fotometrie

Název: Měření vlnové délky světla pomocí interference a difrakce

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Témata semestrálních prací:

Vliv komy na přesnost měření optických přístrojů. Antonín Mikš Katedra fyziky, FSv ČVUT, Praha

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

Podle studijních textů k úloze [1] se divergence laserového svaku definuje jako

- Ideálně koherentním světelným svazkem se rozumí elektromagnetické vlnění o stejné frekvenci, stejném směru kmitání a stejné fázi.

Měření optických vlastností materiálů

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

REALIZACE BAREVNÉHO KONTRASTU DEFEKTŮ V OPTICKÉ PROSTOVĚ-FREKVENČNÍ OBLASTI SPEKTRA

M I K R O S K O P I E

Seznam součástek. A. Seznam prvků soupravy GON. Rozměry (cm) nebo Poloměry* (cm) Značka Název prvku

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

FYZIKA PRO IV. ROČNÍK GYMNÁZIA - OPTIKA 2. VLNOVÁ OPTIKA

Odraz světla na rozhraní dvou optických prostředí

Měření optických vlastností materiálů

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu

Návrh optické soustavy - Obecný postup

7.ročník Optika Lom světla

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Fyzika 2 - rámcové příklady Geometrická optika

4.4. Vlnové vlastnosti elektromagnetického záření

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_10_Zobrazování optickými soustavami 1

Fyzika aplikovaná v geodézii

ZOBRAZOVÁNÍ ČOČKAMI. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Septima - Optika

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

EXPERIMENTÁLNÍ METODA URČENÍ ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ OBJEKTIVU ANALAKTICKÉHO DALEKOHLEDU. A.Mikš 1, V.Obr 2

Měření ohniskových vzdáleností čoček, optické soustavy

Fabry Perotův interferometr

Úloha 10: Interference a ohyb světla

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

5.3.5 Ohyb světla na překážkách

Fyzika pro chemiky II

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Vlnové vlastnosti světla difrakce, laser

Jednou z nejstarších partií fyziky je nauka o světle tj. optika. Existovaly dva názory na fyzikální podstatu světla:

Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

Název: Čočková rovnice

Studium tenkých mazacích filmů spektroskopickou reflektometrií


Aplikace barevného vidění ve studiu elastohydrodynamického mazání

(1 + v ) (5 bodů) Pozor! Je nutné si uvědomit, že v a f mají opačný směr! Síla působí proti pohybu.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Optické metody a jejich aplikace v kompozitech s polymerní matricí

Sylabus přednášky Kmity a vlny. Optika

VYUŽITÍ MATLABU PRO MODELOVÁNÍ INTERFEROGRAMŮ PROUDÍCÍHO PLYNU S RŮZNÝM INDEXEM LOMU. Jiří Olejníček Pedagogická fakulta, Jihočeská univerzita

Moderní metody rozpoznávání a zpracování obrazových informací 15

Obrázek 2: Experimentální zařízení pro E-I. [1] Dřevěná základna [11] Plastové kolíčky [2] Laser s podstavcem a držákem [12] Kulaté černé nálepky [3]

Charakteristiky optického záření

OPTIKA. I. Elektromagnetické kmity

Petr Šafařík 21,5. 99,1kPa 61% Astrofyzika Druhý Třetí

Geometrická optika. Optické přístroje a soustavy. převážně jsou založeny na vzájemné interakci světelného pole s látkou nebo s jiným fyzikálním polem

Elektromagnetické vlnění

Historické brýle. 1690: brýle Norimberského stylu se zelenými čočkami. 1780: stříbrné brýle. konec 18. století: mosazné obruby, kruhové čočky

Úloha č.3 Interferometry a vlastnosti laserového záření

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Měření a analýza mechanických vlastností materiálů a konstrukcí. 1. Určete moduly pružnosti E z ohybu tyče pro 4 různé materiály

Světlo 1) Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění (jako rádiový signál, Tv signál) elmg. vlnění = elmg. záření

Fyzikální korespondenční seminář UK MFF 22. II. S

Neživá příroda I. Optické vlastnosti minerálů

EXPERIMENTÁLNÍ A SIMULAČNÍ SADA ÚLOH Z FOTONIKY

Zákon odrazu. Úhel odrazu je roven úhlu dopadu, přičemž odražené paprsky zůstávají v rovině dopadu.

ODRAZ A LOM SVĚTLA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Fyzika - Optika

Konstrukční varianty systému pro nekoherentní korelační zobrazení

MĚŘENÍ ABSOLUTNÍ VLHKOSTI VZDUCHU NA ZÁKLADĚ SPEKTRÁLNÍ ANALÝZY Measurement of Absolute Humidity on the Basis of Spectral Analysis

Úloha č.3 Interferometry a vlastnosti laserového záření

Sada Optika. Kat. číslo

Měření závislosti indexu lomu kapalin na vlnové délce

Vlnové vlastnosti světla

Optika. Zápisy do sešitu

Refraktometrie, interferometrie, polarimetrie, nefelometrie, turbidimetrie

Zahrádka,Obrdlík,Klouda

Pozorování Slunce s vysokým rozlišením. Michal Sobotka Astronomický ústav AV ČR, Ondřejov

Transkript:

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ P. Novák, J. Novák Katedra fyziky, Fakulta stavební, České vysoké učení technické v Praze Abstrakt V práci je popsán výukový software pro počítačovou simulaci, analýzu a vizualizaci interferenčních jevů, vytvořený ve výpočetním systému MATLAB. Tento software umožňuje jednoduchou a názornou vizualizaci interferenčních procesů a může tak sloužit jako vhodný doplněk výuky fyziky a aplikované optiky na seminářích, v laboratoři či na přednáškách. 1 Úvod Interferenční jevy hrají velmi důležitou úlohu v mnoha oblastech vědy a techniky. Na principu interference záření je založena široká skupina různorodých měřicích a diagnostických metod, které se využívají v nejrůznějších praktických aplikacích. Pro lepší porozumění dané problematice studenty je vhodné použít počítačových simulací pro výpočty a vizualizaci interferenčních jevů, se kterými se studenti mohou běžně setkat při studiu fyziky nebo v praxi. V práci je popsán výukový software pro počítačovou simulaci a analýzu interferenčních jevů, vytvořený ve výpočetním systému MATLAB. Pro různé interferenční jevy byl vytvořen software, který umožňuje modelovat na počítači strukturu a vzhled interferenčního pole, jež vzniká interferencí dvou nebo více svazků částečně koherentního záření. Pomocí počítačových programů je možno modelovat vzhled interferenčních polí v klasické i střihové dvousvazkové interferometrii s různým typem střihu. Lze zkoumat vliv různé velikosti dráhového rozdílu mezi interferujícími vlnami na tvar interferenčních proužků. Dále je možno vyšetřovat vliv šumu a kontrastu interferenčního pole na uvedené interferenční jevy. Vytvořený software též umožňuje počítačově modelovat různé experimenty, založené na interferenci světla. Je tak možno simulovat vzhled interferenčního pole v případě tzv. Newtonových kroužků, Youngova dvouštěrbinového experimentu, vícesvazkové interference či interferenci na tenké vrstvě. Pomocí nastavitelných parametrů, které ovlivňují dané interferenční jevy je poté možno snadno pozorovat, jak se projeví změna těchto parametrů na výsledném jevu. Tento software tak umožňuje názornou vizualizaci interferenčních procesů a může tak sloužit jako vhodný doplněk výuky fyziky a aplikované optiky. Studenti též mohou velmi jednoduše počítačově simulovat různé interferenční jevy, které lze poté porovnat s laboratorním měřením. 2 Software pro analýzu a vizualizaci interferenčních Pro různé interferenční jevy byly s pomocí MATLAB GUI vytvořeny počítačové aplikace, který umožňují modelovat na počítači strukturu, vzhled a vlastnosti interferenčního pole, jež vzniká interferencí dvou nebo více svazků částečně koherentního záření. Jedna z aplikací je rozdělena na tři oblasti, které se zabývají počítačovým modelováním a analýzou různých interferenčních jevů a základních interferenčních experimentů. První oblast je zaměřena na známý experiment tzv. Newtonových kroužků. Tento jev nastává, když položíme na rovinnou skleněnou desku bikonvexní čočku o velkém poloměru křivosti R. Mezi čočkou a deskou vzniká tenká vrstva, která je vyplněna optickým transparentním prostředím s indexem lomu n (obvykle vzduch n = 1). Tloušťka této vrstvy se spojitě mění v závislosti na tvaru sférické plochy čočky. V případě ideálně sférického tvaru plochy lze při kolmém dopadu svazku paprsků na rovinnou plochu bikonvexní čočky pozorovat interferenční jev ve tvaru soustavy souměrně položených soustředných kroužků. V bílém světle budou kroužky zabarveny. Ve světle monochromatickém půjde o soustavu tmavých a světlých interferenčních kroužků. Interferenční jev můžeme vyšetřovat jak ve světle odraženém tak i ve světle procházejícím. Index lomu a vlnovou délku světla lze nastavit zadáním od odpovídajících okének na obrazovce (obr.1). V případě, že sférická plocha nebude mít ideální tvar (což nastane vždy plocha je vyrobena

ve výrobě s určitou výrobní tolerancí), potom se kroužky zdeformují. V tomto software je možné vygenerovat náhodně odchylku sférické plochy od ideálního sférického tvaru a následně sledovat, jak se změní vzhled interferenčního pole (obr.1). Míru deformace sférické plochy je možno nastavit pomocí posuvného jezdce. Pro jednotlivé případy interferenčního jevu lze zvolit z nabídky mezi dvěma typy grafu (interferogram nebo deformace plochy) ve třech provedeních (2D graf, 3D graf a 1D řezy podél os X a Y). Obr.1: Newtonovy kroužky v případě deformované sférické plochy Další část uvedeného software umožňuje provést počítačovou simulaci a analýzu tzv. Youngova dvouštěrbinového interferenčního pokusu. Tento pokus spočívá v pozorování interferenčního jevu po osvětlení dvou blízkých štěrbin v nepropustném stínítku pomocí koherentního zdroje záření s danou vlnovou délkou. Interferenční jev pozorujeme v rovině rovnoběžné se stínítkem, která se nachází ve vzdálenosti mnohem větší nežli je rozteč mezi štěrbinami. V monochromatickém světle má pozorované interferenční pole vzhled rovnoběžných světlých a tmavých proužků (obr.2). Vzhled interferenčního obrazce lze měnit volbou parametrů (vzdálenosti štěrbin a vzdáleností stínítka). Třetí část software se zaměřuje na počítačové modelování a analýzu případu vícenásobné interference světla. Je tak možno analyzovat interferenci světla, která vzniká při průchodu monochromatického světla planparalelní destičkou (např.ze skla). S pomocí uvedeného software též můžeme analyzovat závislost odrazivosti R resp. propustnosti T planparalelní destičky na fázovém posuvu mezi interferujícími paprsky. Poslední část poté umožňuje numericky simulovat průběh intenzity interferenčního pole při interferenci bílého světla na tenké planparalelní průhledné vrstvě (např.mýdlová bublina resp. olejová skvrna). Lze měnit tloušťku vrstvy a úhel pohledu na vrstvu. V závislosti na těchto parametrech se mění pozorované zabarvení dané vrstvy, které lze dobře sledovat z grafů závislosti intenzity odraženého světla na vlnové délce (obr.3).

Obr.2: Interferenční pole v případě Youngova interferenčního pokusu Obr.3: Interference bílého světla na tenké vrstvě Další vytvořená aplikace umožňuje jednoduchým způsobem modelovat vzhled interferenčního pole v různých metodách klasické a střihové dvousvazkové interferometrie. Dráhový rozdíl W mezi

interferujícími vlnami lze simulovat pomocí prvních 36 Zernikeových (pro kruhovou oblast) resp. Legendrových (pro čtvercovou oblast) polynomů (obr.4). Pro daný dráhový rozdíl je možné zobrazit klasický (obr.5) resp. střihový interferogram (obr.6). Pro zobrazení je možno zvolit z nabídky mezi dvěma typy grafu (interferogram nebo dráhový rozdíl) ve třech provedeních (2D graf, 3D graf a 1D řezy podél os X a Y). Pro jednotlivé modelované případy lze ještě jednoduše ovládat kontrast interferenčního pole a jeho šum pomocí posuvných jezdců. Obr.4: Modelování dráhového rozdílu W mezi interferujícími vlnami V metodě střihové dvousvazkové interferometrie je možné modelovat vzhled interferenčního pole pro případ příčného, radiálního nebo rotačního typu střihu dvou vlnoploch, přičemž je možno nastavit parametry střihu (obr.6). Pro přehled 2D polynomů, které se používají v optice pro popis vlnoplochy a vyjádření aberací optických soustav a prvků je připojeno tlačítko 2D polynomy, jenž umožňuje zobrazit různé typy 2D polynomů (Zernikeovy, Legendrovy, Čebyševovy, Seidelovy) obr.7. Dále je též možno znázornit interferogramy, příslušné jednotlivým polynomům. Pomocí změny nastavitelných parametrů software, které ovlivňují dané interferenční jevy lze snadno pozorovat, jak se projeví tato změna na výsledném jevu. Software tak umožňuje názornou vizualizaci interferenčních procesů a může sloužit jako vhodný doplněk výuky fyziky a aplikované optiky. Studenti též mohou velmi jednoduše počítačově simulovat různé interferenční jevy, které lze poté porovnat s laboratorním měřením.

Obr.5: Vzhled interferenčního pole v metodě klasické dvousvazkové interferometrie Obr.6: Počítačová simulace interferenčního pole v metodě střihové interferometrie

3 Závěr Obr.7: Zernikeovy polynomy V práci byl vytvořen výukový software pro počítačovou simulaci a analýzu interferenčních polí v optice, vytvořený ve výpočetním systému MATLAB. Tento software umožňuje velmi jednoduchou a názornou vizualizaci vybraných případů interference světla (dvousvazková a vícesvazková interference) a může tak být vhodným doplňkem výuky fyziky a aplikované optiky na seminářích, v laboratoři či na přednáškách. Práce byla vypracována v rámci projektu MSM6840770022 Ministerstva školství ČR. Literatura [1] Mikš, A.-Novák, J.: Education of Optics with Matlab. Proceedings of SPIE,vol.5259, Washington: SPIE, 2003, p. 260-266. [2] Mikš, A. - Novák, J.: Počítačová simulace interferenčních jevů s použitím Matlabu. Matlab 2000. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, 2000, 239-244. [3] Novák, J. - Pultarová, I. - Novák, P.: Základy informatiky - počítačové modelování v Matlabu. Praha: ČVUT, 2005. [4] Mikš, A.: Aplikovaná optika 10, Vydavatelství ČVUT, Praha 2000. [5] Fuka, J. - Havelka, B.: Optika. SPN, Praha 1961. [6] Born, M. Wolf, E.: Principles of Optics, Pergamon Press, NewYork 1964. Ing. Pavel Novák, Katedra fyziky, Fakulta stavební ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29 Praha 6. tel: 224354345, fax: 233333226, e-mail: xnovakp9@fsv.cvut.cz Ing. Jiří Novák, PhD., Katedra fyziky, Fakulta stavební ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29 Praha 6. tel: 224354345, fax: 233333226, e-mail: novakji@fsv.cvut.cz