1

Optik

Föreläsning 17/3 2010

Samverkan mellan atomer/molekyler och ljus

atomkärna

elektroner

Elektronmolnet svänger i takt med ljuset och skickar ut nytt ljus

Ljustransmission i material Absorption

atomkärna

elektroner

Värme

När frekvensen på ljuset stämmer med atomernas/molekylernas egenfrekvens absorberas energin och blir till värme

Transmission och absorption i glas

Glas släpper igenom synligt ljus, men absorberar UV och IR

Genomskinlighet kräver homogena material

2

De flesta material är inte genomskinliga ….

Reflektion, spridning och absorption

Absorption och spridning av olika våglängder

Den röda bollen absorberar blått och grönt men reflekterar rött.

Belysning med rött ljus

Belysning med grönt ljus

Hur kan vi se färger

• Känselceller i ögat: tappar och stavar

• Tappar känsliga i olika våglängdsområden

• Omvandlar ljusimpuls till elektrisk signal

Färgblandning

Fig. 27.09

Bildpunkter ”Pixlar” Färgsubtraktion

Y = - B

C = - R

M = - G

Cyan, Magenta, och Gult (Y) är komplementfärger

3

Färgtryck

C M Y K

C + M = B M + Y = R

C + Y = G

Färgtryck Såpbubblors färg

+ =Destruktiv interferens

Såphinna

Utsläckning av R, G el. B

C, M, Y

Ljusspridning – Rayleigh

• Beror av våglängden4

1Spridning

λ∝

Ljusspridning – Rayleigh

• Beror av våglängden4

1Spridning

λ∝

Det blåa ljuset sprids av luftens molekyler

4

Miespridning av större partiklar

• Sprider vitt ljus (ej våglängdsberoende)

Vattendroppar i moln

Reflektion och Heros princip

AB

B’

Reflektion och Heros princip

AB

B’

Infallsvinkel & reflektionsvinkel är lika stora

Fermats princip – snabbaste vägenLivräddare

Person i sjönöd

Infallsvinkel & brytningsvinkel INTE lika stora

Snells lag

Optiskt tunnare material

Optiskt tätare material

θθθθ1

θθθθ2

2211 sinsin θθ nn =

n2 > n1

Brytningsindex

mediet ihastighet ljusets

vakuumihastighet ljusets==v

cn

2.419Diamant

1.3333Vatten

1.000293 ≈ 1Luft

5

Snells lag Ljusbrytning

θθθθ1

θθθθ2

2211 sinsin θθ nn =

n2 > n1

θθθθr = θθθθ1

För att energin ska

bevaras reflekteras en del av ljuset

Bilbackspegel

Normalt läge, dagsljus

Reflektionen i speglande metallyta.Reflekterad intensitet ≈ inkommande intensitet

Avbländat läge, mörker

Reflektionen i gränsytan luft/glasReflekterad intensitet < inkommande intensitet

Totalreflektion

θθθθc

Kritisk vinkel

> θθθθc

Praktisk tillämpning av totalreflektion

Kärna av glas eller plast, n ≈ 1.62

Beläggning, n ≈ 1.52

Fiberoptik

Totalreflektion i prismor

6

Dispersion

Ljusbrytningen är våglängdsberoende

Dispersion i regndroppar

Ljusbrytning i linser: Konvex lins

Brännvidd

Fokus

Konvergerande ljusbrytning

Ljusbrytning i linser: Konkav lins

Brännvidd

Divergerande ljusbrytning

Förstoringsglaset Teleskopet

7

Mikroskopet Linsfel

Ögat Brytningsfel

Korrekt brytning:

Översynthet:

Närsynthet:

Synkorrektion

Korrekt brytning:

Översynthet – konvergerande lins:

Närsynthet – divergerande lins:

Bedöma gråskalor ….

8

Polarisation

E-fältets riktning

Polarisation

Icke polariserat ljus Polariserat ljus Polariserat ljus

Polarisation vid reflektion Fluorescens

E0

E1

E2

hfE =

Absorption

Emission

9

FluorescensspektrumLASER

Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLjusförstärkning genom stimulerad strålningsemmision

E0

E1

E0

E1

Grundtillstånd: Inverterat tillstånd:

Genom att ”pumpa” molekylerna till ett exciterat tillstånd kan en inverterad population erhållas.

Spontan emission

E0

E1

Stimulerad emission

E0

E1

Laserkavitet ger resonans

100 % reflekterande spegel 99 % reflekterande spegel

Laserljus

Förstärkning av ljus vid en viss våglängd

Lasermedium

Pump

Historisk utveckling

• 1916 – Lasereffekten förutspåddes av Albert Einstein

• 1960 – Den första lasern:Theodore Maimann, Rubinlasern

• later 1960 – Första gaslasern (HeNe)

• 1970 – laserdioder vid rumstemperatur

Theodore Maimann, Nobel priset i fysik 1983/84

10

Tvåfotonlaserskanning-mikroskopi

x

z

y

Huden i 3D

Image by C. Simonsson

Sammanfattning - Optik

• Transmission av ljus i material• Färger och färgblandning• Ljusspridning• Absorption• Fermats princip• Reflektion• Ljusbrytning• Totalreflektion• Dispersion• Linser och optiska system• Ögat• Polarisation• Fluorescens• Laserljus

Nästa gång: 24/3, Studiebesök RUAG space

RUAG space

Adress: Solhusg. 11