Vlnová optika

Dělení optiky

1. Vlnová optika

• zabývá se jevy potvrzující vlnovou povahu světla
• největší význam má interference, ohyb a polarizace

2. Paprsková optika

• zanedbává vlnovou povahu světla
• je založena na principu nezávislosti světelných paprsků, přímočarém pohybu světla, na zákonech odrazu a lomu

3. Kvantová optika

• zabývá se jevy, při nichž se projevuje kvantový ráz světla

Interference světla

• skládání světla
• koherentní světla – světla se stejnou frekvencí, jejichž fázový rozdíl se s časem
• aby bylo možné interferenci pozorovat musí být světelná vlnění koherentní
• u přirozených zdrojů můžeme fázový rozdíl považovat za konstantní jen velmi krátkou dobu, koherence lze dosáhnout tím, že světlo z jediného zdroje se rozdělí na dva svazky paprsků, které se po proběhnutí různé dráhy setkávají s určitým dráhovým rozdílem (je velmi malý)
• lepší podmínky pro pozorování interference nabízejí lasery – umožňují dosáhnout pozorovatelné interference při větších dráhových rozdílech (0,3 m i 10m – speciální lasery)

Youngův pokus:

Zdroj světla S (bodový zdroj) vyzařuje světlo, které se šíří všemi směry a dopadá na dvojici štěrbin. Pokud jsou štěrbina jen velmi málo vzdálené za štěrbinami je světlo koherentní a pozorujeme interferenci. Za štěrbiny umístíme stínítko, na které dopadá světlo s určitým dráhový rozdílem . Světelná záření se skládají a amplituda výsledného vlnění se zvětšuje nebo zmenšuje. Na stínítku pozorujeme interferenční obrazec v podobě světlých a tmavých proužků. Světlé proužky představují interferenční maximum a tmavé interferenční minimum.

• interferenční maximum vzniká tam, kde se světla setkávají s stejnou fází
• interferenční minimum je v místech, kde se světla setkávají s opačnou fází
• k udává řád interferenčního maxima (minima)

Interference světla na tenké vrstvě

• dráhový rozdíl vzniká i při odrazu na tenké vrstvě
• například bublina, světlo se částečně odrazí a částečně projde a od druhého povrchu se opět odrazí projde
• odražené paprsky mají dráhový rozdíl
• pokud je vrstva dostatečně tenká, paprsky jsou koherentní a pozorujeme interferenci
• v optickém prostředí je vlnová délka n-krát menší než ve vakuu, v tomto prostředí urazí paprsek geometrickou dráhu s, která odpovídá dráze ve vakuu – optická dráha, při výpočtu dráhového rozdílu uvažujeme optickou dráhu
• pokud je tloušťka bubliny d pak světlo urazí geometrickou dráhu 2d a optickou
• při odrazu světla na rozhraní s opticky hustším prostředím se světelné vlnění odráží s opačnou fází (obdoba na pevném konci a volném konci), u druhého paprsku se fáze nemění, změnou fáze se fázový rozdíl zvětší o a je tedy
• interferenční maximum nastane pokud po úpravě
• je-li vrstva tvořena dokonale rovinnými rovnoběžnými obrazci pak je vrstva tmavá nebo světla, pokud jsou na vrstvě nerovnosti vznikají tmavé a světlé proužky
• při osvětlení bílým světlem je tenká vrstva duhově zbarvená (mýdlové bubliny, olejové skvrny)

Newtonova skla

• zařízení umožňující měřit vlnovou délku procházejícího svě­tla
• jsou tvořena skleněnou deskou s rovnoběžnými rovinnými plochami (planparalelní deska), k níž je připojena ploskovypuklá čočka (kulová plocha má velký poloměr)
• v místě dotyku čočky a desky je tenká vzduchová vrstva proměnné tloušťky, při dopadu světla dochází k interferenci odraženého paprsku od obou stran této vrstvy, interferenční obrazec má podobu světlých a tmavých kroužků – Newtonovy kroužky
• pomocí těchto kroužky se kontroluje opracování kulových a rovinných ploch

Ohyb světla

• proniknutí světla za překážku – difraktace (ohyb)
• ohyb je ovlivněn vlnovými vlastnostmi světla, ohyb odporuje přímočarému šíření světla, pokud by se šířil přímočaře nemohl by za překážku (do geometrického stínu) proniknout
• pokud světlo dopadá na neprůhledné překážky , nevzniká za překážkou ostrá hranice stínu a světla, ale světlo proniká zčásti za překážku do oblasti geometrického stínu
• na stínítku pozorujeme ohybový (difraktační) obrazec v podobě světlých a tmavých proužků různé šířky
• ohybový obrazec je výsledkem interference světelného vlnění
• ohybové jevy jsou výrazné na překážkách malých rozměrů

Ohyb světla na štěrbině

Zdrojem světla je osvětlená štěrbina v ohnisku čočky. Vytvoří se úzký rovnoběžný svazek rovnoběžných paprsků, kterému do cesty postavíme ohybovou štěrbinu. Na ní nastává ohyb. Další spojnou čočkou vytvoříme na stínítku ohybový vzorec. V jeho středu M0 je nulté interferenční maximum a po obou stranách se střídají interferenční minima Nk a N’k s interfe­renčními maximy Mk a M’k. Rozložení maxim a minim závisí na šířce štěrbiny a na vlnové délce světla. ˇčím bude při určité vlnové délce štěrbina užší, tím větší bude vzdálenost mezi interferenčními minimy stejného řádu.

• užší štěrbina způsobuje výraznější ohyb světla

Ohyb světla na dvou štěrbinách

• máme dvě štěrbiny o stejné šířce a a ve vzájemné vzdálenosti b
• na obou nastává ohyb světla a za štěrbinami mají paprsky různý směr, pokud se soustředíme jen na ty, co jsou od původního směru odchýlené o úhel a soustředíme je pomocí čočky do bodu K na stínítku, pak na stínítku vzniká ohybový obrazec odpovídající ohybu na jedné štěrbině o šířce a
• navíc světlo interferuje a výsledný ohybový obrazec charakterizují širší maxima a minima a na stínítku vzniká řada světlých a tmavých proužků, které jsou výsledkem interference dvou bodových zdrojů

Ohyb na optické mřížce

• optická mřížka – soustava velkého počtu štěrbin, které jsou od sebe vzdáleny b – perioda mřížky
• ohybový obrazec má velmi úzká maxima, která jsou tím více, čím je menší perioda mřížky
• při kolmém dopadu světla platí: , kde určuje směr, ve kterém vzniká maximum a k je řád maxima
• dopadá-li na mřížku bílé světlo je nulté maximum bílé, ale v dalších maximech pozorujeme rozklad, v místech interferenčních maxim vznikají spektra, která jsou rozložena symetricky na obou stranách od nultého maxima, blíže k nultému maximu je fialová část dále je červená část
• na tomto ohybu je založen mřížkový spektroskop – zkoumání spekter látek ve spektroskopii

Polarizace světla

• světlo je elektromagnetické vlnění, kde vektor E je vždy kolmý na směr, kterým se vlnění šíří
• směr vektoru E u přirozeného světla je zcela nahodilý – nepolarizované svě­tlo
• v případě, že vektor E kmitá stále v jedné přímce je světlo lineárně polarizované
• přirozené světlo lez různými způsoby zpolarizovat (odrazem a lomem, dvojlomem a absorpcí)

Polarizace odrazem a lomem

• při odrazu, vektor E kmitá převážně kolmo k rovině dopadu
• polarizace je jen částečná, závisí na úhlu dopadu, který závisí na indexu lomu rozhraní
• při odrazu na skle je tento úhel 57o – Brewsterův (polarizační) úhel
• k částečné polarizaci dochází i lomem, vektor E kmitá rovnoběžně s rovinou dopadu
• lepší polarizaci lze dosáhnout opakovaným lomem

Polarizace dvojlomem

• dvojlom nastává u anizotropních krystalů (rychlost světla je v různých směrech různá)
• paprsek se na rozhraní rozdělí na dva paprsky, řádný a mimořádný paprsek
• oba paprsky jsou lineárně polarizované, avšak vektory E kmitají v navzájem kolmých rovinách
• islandský vápenec – položíme-li ho na kresbu vidíme jí zdvojeně

Polarizace světla polaroidem

• polaroid – uměle vyrobená látka ze dvou vrstev plastického materiálu mezi nimž jsou krystalky mikroskopických rozměrů látky zvané herapatit (dvojlomný)
• při vhodném uspořádání krystalů vychází z polaroidu jen lineárně polarizované světlo

• zařízení, kterým se světlo mění na polarizované je polarizátor
• zařízení na rozpoznání polarizovaného světla je analyzátor, tvořen polarizačním prostředkem, který propouští světlu jen s určitou orientaci kmitavé roviny
• pokud polarizátor a analyzátor použijeme dohromady, polarizátorem získáme polarizované světlo, otáčíme analyzátorem a zjišťujeme, kdy světlo prochází a kdy prakticky neprochází

Užití polarizace

1. Polarimetr – zjišťování vlastností látek
2. Optický aktivní látky – stáčejí kmitovou rovinu (cukerný roztok)
3. rozložení napětí
4. filtry