Stáhnout prezentaci
Prezentace se nahrává, počkejte prosím
ZveřejnilMartina Nikola Švecová
1
Historický přehled i moderní směry optiky RNDr. Jitka Prokšová, Ph.D. FPV 2010/11
2
Historický přehled – časová osa 4000-350001600 pravěk fyzikystará fyzika novověká fyzika
4
Optika v období renesance (formování optiky jako vědního oboru)
5
renesanční osobnosti: Leonardo da Vinci (1452–1519): srovnává děj v temné komoře s lidským okem, kde vzniká obrácený obraz na sítnici interference stereoskopické vnímání výrazný vliv na aplikace optiky i rozvoj celé fyziky v tomto období Franciscus Maurolycus (1494–1575) spis „Pozorování světla a stínu“ posun paprsku při průchodu planparalelní deskou oční čočka zobrazuje podobně jako skleněná
6
Jan Marcus Marci (1595–1667) experimentální fyzik, lékař, matematik 1648: studie o duhovém oblouku světla lom světla = různým barvám spektra přísluší různé úhly lomu, jednoduché barvy se nerozkládají lékař císaře Leopolda I. (1658), rektor UK (1662) na jeho počest pojmenován kráter na odvrácené straně Měsíce (kráter Marci) jeho práce znal např. Christiaan Huygens
7
zkoumání přírody v 2. pol. 13. st. v Persii studium příčin tvoření duhy 1311 Theodorich (dominikánský mnich) až René Descartes (matematické vysvětlení, spis Meteory) z českých fyziků 1646: M. B. Haněl (disertace o problematice duhy)
8
Optika v 17. století
9
Galileo Galilei (1564–1642): obrovský význam zakladatel experimentální fyziky první návrh měření rychlosti světla stavba dalekohledu (x hvězdářský) významné astronomické práce Christoph Scheiner (1575–1630): jezuita (současník GG) ukázal vznik převráceného skutečného obrazu předmětu na sítnici oka (pokusy s očima telat) popsal funkci pupily, snaha o popis akomodace oka (neúspěšná)
10
Francesco Grimaldi z Bologně (1618–1663): první popis ohybu světla na štěrbině optická mřížka (kovová deska s vrypy ozářená bílým světlem) 1674: nezávisle na něm pozoroval ohyb italský matematik Deschales Sigismund Ferdinand Hartmann (1632–1681): jezuita (Wroclaw, Olomouc, Praha) zákony GEO při odrazu na zrcadlech 1668 spis Catoptrica illustrata Hartmannova deska
11
Willebrord Snell (Snellius) van Royen (1591–1626): holandský matematik a fyzik, určil délku meridiánového oblouku výpočtem z trigonometrické sítě zabýval se průchodem světla přes rozhraní dvou prostředí Snellův zákon lomu (Descartes, Fermat)
12
Pierre de Fermat (1601–1665): francouzský matematik a fyzik, matematická analýza, analytická geometrie teorie čísel velká Fermatova věta princip extrémní dráhy světla autor Snellova zákona lomu
13
Isaac Newton (1643–1727): anglický matematik a fyzik, jeden z největších géniů pokusy s disperzí bílého světla na hranolu a opětovným skládáním barev autor Snellova zákona lomu? Newtonova čočková rce emanační teorie světla: světelný paprsek – složen ze světelných částic (tvaru koule), šířících se přímočaře podle zákonů klasické mechaniky odraz světla – odraz dokonale pružné částice (koule) lom světla – způsoben přitažlivostí mezi světelnými částicemi a lámavým prostředím (nesouhlas: chybné rychlosti šíření částic)
14
jevy interference: Newtonovy kroužky – výklad: jev, který dokazuje vlnovou povahu světla, spojoval Newton s periodičností nebo s kmitáním prostředí
15
Christian Huygens (1629–1695): undulační vlnová teorie světla předpoklady: světelný rozruch jako pružný impuls šířící se éterem (který zaplňuje i vnitřek předmětů) každý bod, do kterého vlnění dospělo, se stává zdrojem nového rozruchu objevy: polarizace světla v krystalech světlo je příčné vlnění
16
Erasmus Berthelsen (Bartholinus) (1625–1698): dánský lékař a matematik 1669: první pozoroval úkaz dvojlomu světla na krystalu islandského vápence děj vysvětlil o 10 let později Christian Huygens (bez toho, aby ale vysvětlil polarizaci světla při dvojlomu)
17
Optické přístroje: Zacharias Janssen holandský výrobce čoček, objevitel a vynálezce dalekohledu (1604) František Lippershey dožadoval se patentu galileovskéhodalekohledu v 1608 Galileo Galilei 1609: sestrojil stejný dalekohled a později z něj udělal mikroskop jeho přínos je hlavně v pozorování
18
Johannes Kepler hvězdářský typ dalekohledu 1611 popis i terestrického dalekohledu Isaac Newton 1663: konstrukce zrcadlového dalekohledu (odstranění vad čoček) Gregory + Cassegrein pozdější vylepšení reflektoru
19
Optika v 18. a 19. století
20
Joseph Louis Lagrange a Hermann Helmholtz: teoretické práce o lomu světla na kulových plochách a čočkách Isaac Newton: detailní popis disperze světla na hranolu 1704: „Optics or Treatise of Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light“ sedm základních barev spektra
21
Vývoj názorů o podstatě světla… undulační (Huygensova) teorie 1690: spis Traité de lumiére (Pojednání o světle) emanační (Newtonova) teorie 1704: spis Optics… (viz předchozí) objevy v 18. st. Newtonova teorie Huygensova teorie (do boje za ni: Euler, Young, Fresnel…)
22
Velký skok… 1865 elektromagnetická (Maxwellova) teorie James Clerk Maxwell (1831–1879) 1) problematické vlastnosti éteru (charakter podélných vln, ne příčných, jak vyplývalo z experimentů) elektrická a magnetická vlna obě polarizovány v navzájem kolmých rovinách 2) světlo = část elektromagnetického spektra
23
V závěru 19. st. … Joseph Larmor (1857–1942) Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928) pokrok elektromagnetické teorie: elektronová teorie
24
Podrobný historický vývoj… William Wollaston (1766–1828): anglický fyzik a chemik pozorování absorpčních čar ve slunečním spektru „kopírovací“ přístroj camera lucida Základem je čtyřboký polopropustný hranol, v němž se horizontální světelný paprsek láme do vertikálního směru a přichází do oka kreslíře. Hranol bývá namontován na držadle připevněném k horizontální desce, na níž leží materiál, na který je kresleno. Kreslíř se dívá přes hranu hranolu a vidí současně kreslenou scénu i nakreslenou část scény. To mu umožňuje zakreslit přesně klíčové body scény. Ernest Abbe (1840–1905): německý fyzik hranoly se stálou deviací teorie minimální odchylky Abbeův refraktometr
25
Joseph von Fraunhofer (1787–1826): německý fyzik (optik) a mechanik, později ředitel velké optické firmy v Mnichově zakladatel spektrální analýzy pozorování absorpčních čar (Fraunhoferovy čáry) ve slunečním spektru… nezávisle na Wollastonovi zdokonalení různých optických přístrojů František Koláček (1881–1942): český fyzik, profesor na brněnské a pražské uni teoretické problémy optické disperze zkoumání zákonitostí čárových spekter
26
Rozvoj optických přístrojů… Friedrich Wilhelm Herschel (1738–1822): německý varhaník, učitel hudby a astronom 1781: objevitel planety Uran 1795: zdokonalil reflektor Cassegraina Nicéphore Niepce (1765–1833): francouzský chemik profesor na Kodaňské uni 1826: objevil fotografický proces
27
Josef Petzval (1807–1891): slovenský fyzik, profesor vídeňské uni vynikající optik sestrojení kvalitního objektivu Předpoklady dobré kvality optických přístrojů: kvalitní sklo… v Čechách kolem 1800
28
Rozvoj vlnové optiky… Thomas Young (1773–1829): anglický hudebník, lékař, fyzik, matematik a malíř nadšený bojovník za uznání Huygensovy undulační teorie 1801: vysvětlení interferenčních a difrakčních jevů světlo je příčné vlnění (otázky polarizace) Augustin Jean Fresnel (1788–1827): francouzský inženýr, člen Akademie dovršení Youngovy průkopnické práce zdatný experimentátor i teoretik
29
Etienne Louis Malus (1775–1812): francouzský inženýr objevitel světelné polarizace účastník Napoleonovy výpravy do Egypta 1808: vědecké studie o refrakci na krystalu islandského vápence (otázka intenzity řádného a mimořádného paprsku) Malusův zákon (k výkladu však užil Newtonovy emisní teorie)
30
Jean Baptiste Biot (1774–1862): francouzský fyzik a mechanik studoval vlastnosti dvojosých krystalů Biotovy zákony o stáčení polarizační roviny zjistění optické aktivity (objev rotační polarizace Arago v 1811) David Brewster (1781–1868): anglický fyzik Brewsterův zákon studie polarizace na stu krystalických látek pozoval chromatickou polarizaci
31
Johann Gottlieb Nörrenberg (1787–1862): německý fyzik, profesor na uni v Darmstadtu sestrojil polarizační přístroj (polarizace odrazem i lomem) Biotovy zákony o stáčení polarizační roviny zjistění optické aktivity William Nicol (1768–1851): anglický fyzik, učitel fyziky v Edinburghu polarizační hranol krystaly islandského vápence slepené vrstvou kanadského balzámu
32
Jean B. F. Soleil (1798–1878): znamenitý francouzský optik a mechanik zdokonalil Biotův-Mitscherlichův polarimetr zvýšení přesnosti odečítání díky Soleilově dvojdesce (levo- a pravotočivý křemen) bratři Josef a Jan Fričové: synové českého politika J. V. Friče, studovali přírodní vědy na UK založení firmy na výrobu přesných vědeckých přístrojů (mezi nimi i tzv. polostínové polarimetry) založení hvězdárny na Ondřejově (1898 až 1908)
33
Rozvoj fotometrie… 1760 publikován základní zákon fotometrie Johann H. Lambert (1728–1779): člen berlínské Akademie Lambertův kosinusový zákon Lord Rumford (B. Thompson) (1753–1814): 1794: konstrukce historicky nejstarších fotometrů, následoval: 1843: Bunsenův fotometr
34
1884: první pokus o mezinárodní dohodu Jules Violle (1841–1923): člen francouzské Akademie, profesor v Lyoně návrh, aby se jednotkou svítivosti stala svítivost 1 cm2 Pt při bodu tání Pt Friedrich von Hefner-Alteneck (1845–1904): šéfinženýr u firmy Siemens & Halske 1884: Hefnerova svíčka (=vodorovná svítivost 40 mm dlouhého plamene octanu amylnatého hořícího nad bavlněným kulatým knotem o průměru 8 mm za určitých podmínek, jednotka byla používaná především v Německu před rokem 1942)
35
Optika ve 20. století
36
Kvantová teorie světla… Max Planck Albert Einstein (1858–1947) (1879–1955)
37
Optické jevy – dualismus: světlo má vlastnosti, které svědčí o jeho vlnové povaze a jiné, které dokazují korpuskulární charakter Kvantová optika: teorie, která popisuje jak vlastnosti světla, tak vlastnosti atomů, de Broglieho vztahy – přechod od korpuskulární teorie k vlnové teorii Renesance optiky (objev laserů, aplikace v informatice, optoelektronice)
38
Optika v aplikacích: luminiscence laserová optika (koherentní zobrazení) optoelektronika adaptivní optika gradientní optika transformační optika (kvantové komunikační a informační protokoly) holografie…
39
Luminiscenční jevy teoretický základ: vlastnost plynných a kondenzovaných soustav – odezva na působící vnější energii se projevuje vyzářením elektromagnetického vlnění v době delší než přechody na hladinách atomů či molekul dělení podle doby trvání: fluorescence: emise záření při excitaci fosforescence: emise po excitaci
40
Nové pojmy v teorii luminiscence: luminofor: PL, kde luminiscence závisí na nečistotách nebo poruchách KM krystalické luminofory sloučeniny, které vykazují luminiscenci v „čistém“ stavu ( na každou elementární buňku připadá v takové sloučenině 1 iont s neúplně zaplněnou slupkou… např. halogenidy, sulfidy, sloučeniny Mo a Pt) alkalické halogenidy aktivované Th nebo jinými těžkými kovy sulfidy ZnS, CdS aktivované prvky Cu, Ag, Au, Mn křemičitanové luminofory (stínítka osciloskopů) organické krystaly (antracen aktivovaný naftacenem)
41
Teoretické pozadí: luminiscenční kinetika: elektron přejde z nižší energetické hladiny na vyšší (je excitován, zůstává však vázán na svůj mateřský atom) excitace a rekombinace do základního stavu probíhá uvnitř téhož luminiscenčního centra mechanismus dosvitu: doba doznívání koncentrace vybuzených elektronů
42
Druhy luminiscence podle způsobu buzení: druh luminiscence:způsob buzení: fotoluminiscenceUV nebo viditelné světlo radioluminiscenceRTG, gama, částice vysokých energií katodoluminiscenceurychlené elektrony termoluminiscencetepelná energie elektroluminiscenceelektrické pole galvanoluminiscenceelektrochemická reakce, elektrický proud mechanoluminiscencetlak, mletí, drcení, deformace krystaloluminiscencerůst krystalů kryoluminiscencepůsobení nízkých teplot chemoluminiscencechemické reakce …
43
Některé jevy nelineární optiky: optické vlastnosti prostředí závisí na: vlnové délce světla, které prostředím prochází intenzitě světla Před objevem laseru – tepelné zdroje (generování světelných vln) Vnitřní pole atomů Laser
44
rozdíly od klasické Maxwellovy teorie: soustava rovnic není lineární neplatí princip superpozice interakce světelných vln generace jedněch na úkor druhých Dielektrická prostředí působením vnějšího pole může dojít k polarizaci: atomové iontové orientační
45
pole světelné vlny má periodu (tzn. hraje roli při ustavení atomové polarizace) odezva prostředí na vnější působení – polarizace (elektrický dipólový moment jednotky objemu prostředí, vzbuzený vnějším polem) pro homogenní, izotropní prostředí bez prostorové disperze platí:
46
Pozorované nelineární jevy: generace vln s vyššími harmonickými (na úkor části energie dopadající světelné vlny s frekvencí se v prostředí vybudí světelné vlny s frekvencemi ) parametrická generace světla (na úkor části energie dopadající světelné vlny s frekvencí se v prostředí vybudí dvě světelné vlny, z nichž jedna má frekvenci a druhá frekvenci, přičemž frekvencimůžeme plynule měnit v mezích od nuly do ) samofokusace světla (dosáhne-li intenzita dopadající vlny jisté prahové hodnoty, dochází k zúžení světelného svazku a koncentraci energie do tenkého světelného „kanálku“) zprůhlednění prostředí (prostředí původně neprůhledné pro světlo o malé intenzitě se stává průhledným pro světlo o velké intenzitě)a další…
47
Gradientní optika: část optiky, která se zabývá šířením světla v nehomogenním prostředí index lomu závisí na souřadnicích, nejčastěji rotační symetrie vůči ose čočky (osa z je osou symetrie): konstrukce čoček ve tvaru válce (vlastnosti pak závisí pouze na délce tohoto válce) široké uplatnění v optických komunikacích (gradientní vlákna), měřicí a kontrolní technice technologické možnosti – specifické vlastnosti
48
Adaptivní optika: široká oblast působnosti optické prvky a systémy - parametry lze měnit, ovlivnění vlnoploch, transformace odstranění poruch vlnoploch uplatnění: pozemní astronomické dalekohledy – odstranění vlivu nehomogenit zemské atmosféry fokusace laserového záření korekce laserových optických systémů a výkonných laserů
49
Jiné možnosti zápisu OU: maticová optika… dvě možnosti zápisu optických událostí (= dva způsoby stanovení průchodu paprsků optickou soustavou): zobrazovací rovnice přenosová matice paprsku maticový způsob zápisu počátkem 30. let 20. století – první formulace T. Smith v 60. letech znovu oživení předpoklad: paprsky se šíří pouze v jedné rovině formalismus použitelný pro systémy s rovinnou geometrií
50
popis paprsku: popis paprsku: poloha a úhel vzhledem k optické ose výhodnost maticového zápisu: přenosová matice paprsku posloupnosti optických prvků (systémů) = součinu přenosových matic jednotlivých prvků formální postup pro popis komplexních optických soustav v paraxiálním přiblížení z y
51
Průchod paprsku: charakteristika soustavy: vstup výstup y z vstupvýstupoptická soustava
52
Přenosová matice paprsku: v paraxiálním přiblížení: A, B, C, D jsou reálná čísla přepis do matice:
53
Šíření vakuem: znaménková konvence: úhel se měří od paprsku k ose z kladný směr = proti směru hodinových ručiček záporný směr = po směru hodinových ručiček y z d
54
Lom na sférickém rozhraní: charakteristika soustavy A: y z
55
Obecná soustava: popis událostí pomocí součinu matic pro lom, odraz a šíření světelných paprsků v homogenním prostředí každý prvek v systému – přenosová matice výhodné pro identické soustavy otázky stability řešení
56
Příklad: soustava tenkých čoček ve vzdálenosti d y z
57
každá z čoček: přenosová matice: podmínka stability:
58
parametr b z podmínky vyplývá:
59
Odkazy: Dějiny fyziky Špelda: Dějiny fyziky Přednášky z fyziky Richard Feynmann: Přednášky z fyziky Saleh, B. – Teich M.: Základy fotoniky. Praha, Matfyzpress 1994 Born, M. – Wolf, E.: Principles of Optics. Cambridge, Cambridge University Press 1998 Malý P.: Optika. UK Karolinum, 2008
Podobné prezentace
© 2024 SlidePlayer.cz Inc.
All rights reserved.