Optik
Samverkan mellan
atomer/molekyler och ljus
elektroner
atomkärna
Föreläsning 17/3 2010
Elektronmolnet svänger i takt med ljuset och
skickar ut nytt ljus
Ljustransmission i material
Absorption
elektroner
Värme
atomkärna
När frekvensen på ljuset stämmer med
atomernas/molekylernas egenfrekvens absorberas
energin och blir till värme
Transmission och absorption i glas
Genomskinlighet kräver homogena
material
Glas släpper igenom synligt ljus,
men absorberar UV och IR
1
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.
Hur kan vi se färger
Belysning med
rött ljus
Belysning med
grönt ljus
Färgblandning
• Känselceller i ögat: tappar och stavar
• Tappar känsliga i olika våglängdsområden
• Omvandlar ljusimpuls till elektrisk signal
Fig. 27.09
Bildpunkter ”Pixlar”
Färgsubtraktion
Y=-B
C=-R
Cyan, Magenta,
och Gult (Y) är
komplementfärger
M=-G
2
Färgtryck
M+Y=R
C+M=B
C
M
Y
K
C+Y=G
Färgtryck
Såpbubblors färg
Destruktiv interferens
+
=
C, M, Y
Såphinna
Utsläckning av R, G el. B
Ljusspridning – Rayleigh
• Beror av våglängden
Spridning ∝
Ljusspridning – Rayleigh
1
4
λ
• Beror av våglängden
Spridning ∝
1
λ4
Det blåa ljuset sprids av luftens molekyler
3
Miespridning av större partiklar
Reflektion och Heros princip
B
• Sprider vitt ljus (ej våglängdsberoende)
A
B’
Vattendroppar i moln
Reflektion och Heros princip
Fermats princip – snabbaste vägen
Livräddare
B
A
Infallsvinkel &
reflektionsvinkel
är lika stora
Infallsvinkel &
brytningsvinkel
INTE lika stora
Person i
sjönöd
B’
Snells lag
Brytningsindex
n=
θ1
Optiskt tunnare material
Optiskt tätare material
θ2
n2 > n1
c ljusets hastighet i vakuum
=
v ljusets hastighet i mediet
Luft
1.000293 ≈ 1
Vatten
1.3333
Diamant
2.419
n1 sin θ1 = n2 sin θ 2
4
Snells lag
Ljusbrytning
θ1
För att
energin ska
bevaras
reflekteras en
del av ljuset
θr = θ1
θ2
n2 > n1
n1 sin θ1 = n2 sin θ 2
Bilbackspegel
Normalt läge, dagsljus
Totalreflektion
Avbländat läge, mörker
θc
Kritisk vinkel
Reflektionen i speglande metallyta.
Reflekterad intensitet ≈ inkommande intensitet
Reflektionen i gränsytan luft/glas
Reflekterad intensitet < inkommande intensitet
Praktisk tillämpning av
totalreflektion
> θc
Totalreflektion i prismor
Fiberoptik
Kärna av glas eller plast,
n ≈ 1.62
Beläggning, n ≈ 1.52
5
Dispersion i regndroppar
Dispersion
Ljusbrytningen är våglängdsberoende
Ljusbrytning i linser: Konvex lins
Ljusbrytning i linser: Konkav lins
Fokus
Brännvidd
Brännvidd
Konvergerande ljusbrytning
Förstoringsglaset
Divergerande ljusbrytning
Teleskopet
6
Mikroskopet
Linsfel
Ögat
Brytningsfel
Korrekt brytning:
Närsynthet:
Översynthet:
Synkorrektion
Korrekt brytning:
Bedöma gråskalor ….
Närsynthet – divergerande lins:
Översynthet – konvergerande lins:
7
Polarisation
Polarisation
E-fältets riktning
Polariserat ljus
Icke polariserat ljus
Polarisation vid reflektion
Polariserat ljus
Fluorescens
Absorption
E2
Emission
E1
E = hf
E0
8
LASER
Fluorescensspektrum
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemmision
Inverterat tillstånd:
Grundtillstånd:
E1
E1
E0
E0
Genom att ”pumpa” molekylerna till ett exciterat
tillstånd kan en inverterad population erhållas.
Spontan emission
Stimulerad emission
E1
E1
E0
E0
Laserkavitet ger resonans
Lasermedium
Laserljus
100 % reflekterande spegel
Pump
99 % reflekterande spegel
Förstärkning av ljus vid en viss våglängd
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
9
Tvåfotonlaserskanningmikroskopi
x
Huden i 3D
y
z
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
10
