Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 1/11

niech się stanie światłość.

Rzekł Bóg:

I stała się światłość...

Antyk :Antyk : cząstki (Pitagoras)cząstki (Pitagoras) promień biegnący od oka (Platon)promień biegnący od oka (Platon)

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 2/11

Hipotezy nt. natury światłaHipotezy nt. natury światła

1. Strumień cząstek ? - przenoszenie energii- odbicie- załamanie

ale zmiany koloru (kryształy, warstwy, pryzmat) polaryzacja, dyfrakcja, interferencja

2. Fale ? znane fale mechaniczne

ale te muszą mieć jakiś ośrodek (sprężysty) nie rozchodzą się w próżni, a światło owszem!

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 3/11

Izaak Newton (1642-1727) popierał koncepcję

korpuskularną

Autorytet Newtona opóźnił rozwój teorii falowej światła o 100 lat

Christian Hyughens (1629-1695) sformułował koncepcję falową

August Fresnel (1788-1827) – słuszność koncepcji falowej

(interferencja i dyfrakcja)

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 4/11

Przełom – odkrycie fal elektro-magnetycznych (EM)

główna trudność – jakiego typu fale (co faluje?) i jaki ośrodek (koncepcja eteru)

teoria: J.C. Maxwell (1831 – 1879)

doświadczenie: H. Hertz (1857 – 1894)

doświadczenia z elektrycznością – powiązanie badań nad promieniowaniem (światłem) z własnościami ładunków elektrycznych unifikacja oddziaływań

doświadczenia z elektrycznością – powiązanie badań nad promieniowaniem (światłem) z własnościami ładunków elektrycznych unifikacja oddziaływań

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 5/11

S

P

Podstawowe doświadczenia nad interferencją światła

doświadczenie Younga

gdy I1 = I2 = I I(P) =Imax = 4I interferencja konstruktywna

Imin = 0 interferencja destruktywna

gdy tylko jedna droga – brak prążkówgdy tylko jedna droga – brak prążków(światło + światło = ciemność !!!)

I(P) = I1+I2+2I1I2 cos SP

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 6/11

- emisja z K z wydajnością 10-30%V = Q/C

C 10 pF

V =1.6–13C/10–12 =10mV

K

A

ok. – 1000 V wzgl.

np. 12 dynod

- całkowite wzmocnienie IA/IK = (3-4)12 106 e = - 1.6x10-13C

- przyspieszenie przez ok. 100 V

zwiększ Ekin emisja wtórna, powielenie 3-4 x

- fotopowielacz liczy fotony, ściślej co ~ trzeci foton (<1)- fotopowielacz liczy fotony, ściślej co ~ trzeci foton (<1)

np. Fotopowielacz

A

RC

Interferencja z licznikami fotonów

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 7/11

Interferencja z licznikami fotonów

• poszczególne zliczenia – rejestracja indywidualnych fotonów (cząstkicząstki)• rozkład prawdopodobieństw pojawienia się fotonów – falafala

DualizmDualizm: światło zachowuje się jak fala lub strumień cząstek (fotonów) w różnych warunkach doświadczalnych

jest równocześnie i cząstką i falą

ekran macierz liczników fotonów

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 8/11

dotyczy wszelkich obiektów – również fal materii (fale de Broglie)Dośw. z interferencją wiązki atomów He:

m

hdB

http://www.iap.uni-bonn.de/oll/OLLWS/graphics/kap5/chap5Home.html

J. Mlynek, et al., Nature 386, 150 (1997)

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 9/11

Nietrywialne (kwantowo-mechaniczne) aspekty interferencji:

Interferometr Macha-Zendera

• rozróżniam drogi (np. przez polaryzatory)

• fotony mają swobodę wyboru drogi – są prążkisą prążki – jest interferencja

do interferencji konieczna nierozróżnialność trajektorii, stanów pośrednich pomiędzy stanem początkowym (źródło)

i stanem końcowym (punkt na ekranie)

do interferencji konieczna nierozróżnialność trajektorii, stanów pośrednich pomiędzy stanem początkowym (źródło)

i stanem końcowym (punkt na ekranie)

I(P) = |E1+E2|2 = |E1|2 + |E2|2 + E1 E2* + E1

* E2

I(P) = |E1+E2|2 = |E1|2 + |E2|2 + E1 E2* + E1

* E2

0

„sumuję amplitudy”

„sumuję prawdopodobieństwa”

E1

E2

– brak prążkówbrak prążków

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 10/11

E2

• Gumka kwantowa (quantum eraser)

informację o tym, jaką drogę przebył foton można post-factum usunąć - „wymazać” za pomocą „gumki kwantowej”

E1

• interferencja pojedynczych fotonów:

pojedynczy foton na płytce światłodzielącej się nie połowi – zawsze leci albo w jednym, albo w drugim ramieniu interferometru, a mimo to po uśrednieniu wielu zdarzeń powstaje obraz interferencyjnywyjaśnienie – stan superpozycji

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 11/11

p a s m o w i d z i a l n e

(VIS)

380 nm 700 nm 3 m200 nm1 nm 30 m 1mm

nadfiolet (UV) bliska średnia dalekap o d c z e r w i e ń (IR)

Pasmo optyczne

energie fotonów optycznych

E = h = (6,6x10-34Js) x (4-8)x1014Hz = 2,6 – 5,2 x 10-19J = 1,6 – 3,2 eV

różnice poziomów energetycznych w atomach

prom. Röntgena

pasmo optyczne

nm m mm m km

3x1017 3x1011 3x105 [Hz]

długie

fale milimetrowe

TV/UKFkrótkie

fale radiowe

średniemikrofale

Widmo fal elektromagnetycznych

cc

2

Wojciech Gawlik - Optyka, 2007/08. wykład 1 12/11

• propagacja zaburzeń elektromagnetycznych w przestrzeni

H H H HEEE

fala płaska, harmoniczna – najprostsza forma fal (EM)

)cos(Re)(Re, 00 rkEErErE rk teet titi

)cos(Re)(Re, 00 rkBBrBrB rk teet titi

wektor falowy

monochromatyczna fala biegnąca w kierunku k, periodyczna w czasie i przestrzeni

Fala elektromagnetyczna (EM)

Dipol Hertza: