Az optika tudományterületei

Átírás

1 Az optika tudományterületei Optika FIZIKA BSc, III/1. 1. / 17 Erdei Gábor

2 Elektromágneses spektrum Optika FIZIKA BSc, III/1. 2. / 17 Erdei Gábor

3 Napfény sp. teljesítménysűrűsége 5500 K (5250C) a földfelszínen a közvetlen napfény, az atmoszférán kívül 5900 K Optika FIZIKA BSc, III/1. 3. / 17 Erdei Gábor

4 Az optikai modellek áttekintése Optika Fény keletkezése Fény terjedése Fény-anyag kölcsönhatás Fény elnyelődése Kvantummechanika Hullámoptika, Maxwell-egyenletek Kvantummechanika Harmonikus síkhullám (ω, λ, v, φ, S, polarizáció) Eddigi elektrodinamikai ismeretek Homogén, izotróp, lineáris, nem mágneses, dielektrikum közeg (ε, μ, n) Polikromatikus (spektrum, időbeli koherencia) Szórt (szögspektrum, térbeli koherencia) Irányított (hullámszámvektor) Abszorbens (komplex ε) Anizotróp (ε-tenzor) Nemlineáris (ε-sorfejtés) Inhomogén (ε-helyfüggés) Koherens (impulzus) Inkoherens Koherens (hullámfront) Inkoherens (diffúz) Térben lassan változó Térben gyorsan változó Ultragyors optika Statisztikus optika Skalár diffrakció Radiometria, statisztikus optika Geometriai optika Vektordiffrakció Optika FIZIKA BSc, III/1. 4. / 17 Erdei Gábor

5 A fény, az EM hullámok felfedezése Név Korszak Felfedezés Asszíria i.e tükrök, gyújtólencsék (pl. Nimrud-lencse? csiszolt kristály) Euklidész i.e. 280 Optika fény látás (sugarak a szemből erednek, egyenes vonalban terjednek Alhazen 11. sz. fény: forrásból ered a szem csak detektor ; részecske modell; véges és sűrűségfüggő sebesség Descartes 1637 elasztikus közeg - éter, benne mintha teniszlabdák mechanikus mozgást végeznének; törési törvény Fermat 1657 legrövidebb idő elve, törési törvény újabb levezetése, a fény üvegben lassabban terjed mint levegőben Römer 1675 fénysebesség mérése 24% pontossággal Jupiter holdak alapján (Doppler-effektus) Huygens 1679 a fény elasztikus közegben terjedő zavar, impulzus Newton 1704 Opticks ; 100 évre bebetonozta a részecskemodellt, fehér fény = színek összege (spektrum elnevezés) Herschel 1799 infravörös sugárzás (IR) felfedezése hőhatás alapján Ritter 1801 ultraibolya sugárzás (UV) felfedezése fotokémiai úton Young 1801 hullámtermészet megállapítása, szín~hullámhossz, később: transzverzalitás, lineáris polarizáció Malus 1809 polarizáció (Bartholonius 1669-ben kimutatta kalcittal a kettőstörést), a is kifejezés tőle származik Fresnel 1818 diffrakciós kísérletek fény hullámelméletének matematikai leírása Foucault 1850 fénysebesség mérése vízben, levegőben (vízben lassabb): részecskeelm. Ø Kohlrausch & Weber 1856 az EM hullám sebességének megmérése = fénysebesség Maxwell 1862 elektromágneses hullámelmélet (Faraday nyomán) Michelson & Morley 1887 interferométeres kísérlet nincs abszolút éter? ; c = c + v? Hertz 1888 a fény elektromágneses hullám (állóhullámú kísérletek EM rádióhullámmal sebesség, polarizáció) Röntgen 1895 Röntgensugárzás (katódsugárcső fékezési sugárzása fotólemezen) első fizikai Nobel-díj Villard 1900 gammasugárzás felfedezése Planck 1900 feketetestsugárzás magyarázata, EM tér kvantált: E = h ν Einstein 1905 fotoelektromos hatás; részecske modell (foton); speciális relativitás-elmélet Optika FIZIKA BSc, III/1. 5. / 17 Erdei Gábor

6 Törési törv. a Fermat-elv alapján x n n' P(0,-z) O v (x+,0) (0,0) ' O(x,0) P'(x',z') z PO P n x z n x x z OPL v Optika FIZIKA BSc, III/1. 6. / 17 Erdei Gábor

7 A fény, az EM hullámok felfedezése Név Korszak Felfedezés Asszíria i.e tükrök, gyújtólencsék (pl. Nimrud-lencse? csiszolt kristály) Euklidész i.e. 280 Optika fény látás (sugarak a szemből erednek, egyenes vonalban terjednek Alhazen 11. sz. fény: forrásból ered a szem csak detektor ; részecske modell; véges és sűrűségfüggő sebesség Descartes 1637 elasztikus közeg - éter, benne mintha teniszlabdák mechanikus mozgást végeznének; törési törvény Fermat 1657 legrövidebb idő elve, törési törvény újabb levezetése, a fény üvegben lassabban terjed mint levegőben Römer 1675 fénysebesség mérése 24% pontossággal Jupiter holdak alapján (Doppler-effektus) Huygens 1679 a fény elasztikus közegben terjedő zavar, impulzus Newton 1704 Opticks ; 100 évre bebetonozta a részecskemodellt, fehér fény = színek összege (spektrum elnevezés) Herschel 1799 infravörös sugárzás (IR) felfedezése hőhatás alapján Ritter 1801 ultraibolya sugárzás (UV) felfedezése fotokémiai úton Young 1801 hullámtermészet megállapítása, szín~hullámhossz, később: transzverzalitás, lineáris polarizáció Malus 1809 polarizáció (Bartholonius 1669-ben kimutatta kalcittal a kettőstörést), a is kifejezés tőle származik Fresnel 1818 diffrakciós kísérletek fény hullámelméletének matematikai leírása Foucault 1850 fénysebesség mérése vízben, levegőben (vízben lassabb): részecskeelm. Ø Kohlrausch & Weber 1856 az EM hullám sebességének megmérése = fénysebesség Maxwell 1862 elektromágneses hullámelmélet (Faraday nyomán) Michelson & Morley 1887 interferométeres kísérlet nincs abszolút éter? ; c = c + v? Hertz 1888 a fény elektromágneses hullám (állóhullámú kísérletek EM rádióhullámmal sebesség, polarizáció) Röntgen 1895 Röntgensugárzás (katódsugárcső fékezési sugárzása fotólemezen) első fizikai Nobel-díj Villard 1900 gammasugárzás felfedezése Planck 1900 feketetestsugárzás magyarázata, EM tér kvantált: E = h ν Einstein 1905 fotoelektromos hatás; részecske modell (foton); speciális relativitás-elmélet Optika FIZIKA BSc, III/1. 7. / 17 Erdei Gábor

8 Huygens-elv B B' p A A' v t Optika FIZIKA BSc, III/1. 8. / 17 Erdei Gábor

9 Törési törv. a Huygens-elv alapján Optika FIZIKA BSc, III/1. 9. / 17 Erdei Gábor

10 A fény, az EM hullámok felfedezése Név Korszak Felfedezés Asszíria i.e tükrök, gyújtólencsék (pl. Nimrud-lencse? csiszolt kristály) Euklidész i.e. 280 Optika fény látás (sugarak a szemből erednek, egyenes vonalban terjednek Alhazen 11. sz. fény: forrásból ered a szem csak detektor ; részecske modell; véges és sűrűségfüggő sebesség Descartes 1637 elasztikus közeg - éter, benne mintha teniszlabdák mechanikus mozgást végeznének; törési törvény Fermat 1657 legrövidebb idő elve, törési törvény újabb levezetése, a fény üvegben lassabban terjed mint levegőben Römer 1675 fénysebesség mérése 24% pontossággal Jupiter holdak alapján (Doppler-effektus) Huygens 1679 a fény elasztikus közegben terjedő zavar, impulzus Newton 1704 Opticks ; 100 évre bebetonozta a részecskemodellt, fehér fény = színek összege (spektrum elnevezés) Herschel 1799 infravörös sugárzás (IR) felfedezése hőhatás alapján Ritter 1801 ultraibolya sugárzás (UV) felfedezése fotokémiai úton Young 1801 hullámtermészet megállapítása, szín~hullámhossz, később: transzverzalitás, lineáris polarizáció Malus 1809 polarizáció (Bartholonius 1669-ben kimutatta kalcittal a kettőstörést), a is kifejezés tőle származik Fresnel 1818 diffrakciós kísérletek fény hullámelméletének matematikai leírása Foucault 1850 fénysebesség mérése vízben, levegőben (vízben lassabb): részecskeelm. Ø Kohlrausch & Weber 1856 az EM hullám sebességének megmérése = fénysebesség Maxwell 1862 elektromágneses hullámelmélet (Faraday nyomán) Michelson & Morley 1887 interferométeres kísérlet nincs abszolút éter? ; c = c + v? Hertz 1888 a fény elektromágneses hullám (állóhullámú kísérletek EM rádióhullámmal sebesség, polarizáció) Röntgen 1895 Röntgensugárzás (katódsugárcső fékezési sugárzása fotólemezen) első fizikai Nobel-díj Villard 1900 gammasugárzás felfedezése Planck 1900 feketetestsugárzás magyarázata, EM tér kvantált: E = h ν Einstein 1905 fotoelektromos hatás; részecske modell (foton); speciális relativitás-elmélet Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor

11 Young-féle kétréses interferencia Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor

12 Huygens-Fresnel-elv Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor

13 A fény, az EM hullámok felfedezése Név Korszak Felfedezés Asszíria i.e tükrök, gyújtólencsék (pl. Nimrud-lencse? csiszolt kristály) Euklidész i.e. 280 Optika fény látás (sugarak a szemből erednek, egyenes vonalban terjednek Alhazen 11. sz. fény: forrásból ered a szem csak detektor ; részecske modell; véges és sűrűségfüggő sebesség Descartes 1637 elasztikus közeg - éter, benne mintha teniszlabdák mechanikus mozgást végeznének; törési törvény Fermat 1657 legrövidebb idő elve, törési törvény újabb levezetése, a fény üvegben lassabban terjed mint levegőben Römer 1675 fénysebesség mérése 24% pontossággal Jupiter holdak alapján (Doppler-effektus) Huygens 1679 a fény elasztikus közegben terjedő zavar, impulzus Newton 1704 Opticks ; 100 évre bebetonozta a részecskemodellt, fehér fény = színek összege (spektrum elnevezés) Herschel 1799 infravörös sugárzás (IR) felfedezése hőhatás alapján Ritter 1801 ultraibolya sugárzás (UV) felfedezése fotokémiai úton Young 1801 hullámtermészet megállapítása, szín~hullámhossz, később: transzverzalitás, lineáris polarizáció Malus 1809 polarizáció (Bartholonius 1669-ben kimutatta kalcittal a kettőstörést), a is kifejezés tőle származik Fresnel 1818 diffrakciós kísérletek fény hullámelméletének matematikai leírása Foucault 1850 fénysebesség mérése vízben, levegőben (vízben lassabb): részecskeelm. Ø Kohlrausch & Weber 1856 az EM hullám sebességének megmérése = fénysebesség Maxwell 1862 elektromágneses hullámelmélet (Faraday nyomán) Michelson & Morley 1887 interferométeres kísérlet nincs abszolút éter? ; c = c + v? Hertz 1888 a fény elektromágneses hullám (állóhullámú kísérletek EM rádióhullámmal sebesség, polarizáció) Röntgen 1895 Röntgensugárzás (katódsugárcső fékezési sugárzása fotólemezen) első fizikai Nobel-díj Villard 1900 gammasugárzás felfedezése Planck 1900 feketetestsugárzás magyarázata, EM tér kvantált: E = h ν Einstein 1905 fotoelektromos hatás; részecske modell (foton); speciális relativitás-elmélet Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor

14 Mikroszkópikus töltések, áramok P M Forrás: wikipedia Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor

15 Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor Makroszkópikus Maxwell-egyenletek E j E E D H H B D B B E j D H σ ε ε ε μ μ μ ρ div IV. 0 div III. rot II. rot I. r 0 r 0 t t

16 Komplex törésmutató [-] BME Atomfizika Tanszék Az alumínium törésmutatója 10 Az alumínium törésmutatója λ p n κ κ Hullámhossz (λ) [μm] (forrás: Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor

17 Az ε frekvenciafüggése (fiktív) (forrás: Optika FIZIKA BSc, III/ / 17 Erdei Gábor