A fény terjedése és kölcsönhatásai

Átírás

1 A fény terjedése és kölcsönhatásai A fény terjedése és kölcsönhatásai Kellermayer Miklós A fénytörés (refrakció) alkalmazásai A fényhullám érzékelhető paraméterei A fényhullám fázisa; fáziskontraszt mikroszkópia Polarizáció, optikai anizotrópia, polarimetria Optikai leezés az emberi szemben Akkomodáció A szem fénytörési hibái Az emberi szem feloldóessége Színkódolás, színlátás Fénytöréssel et alkotunk a mikroszkópban Nagyított, fordított állású virtuális Leezés feltétele: egy járulékos lencse (szemlencse) optikai útba helyezése A fénytörés analitikai alkalmazása: Refraktometria A fénytörés határesete n1 n2 n2 > n1 Optikai tengely α = 90 súrlófény βh = határszög Mivel sin(90 ) = 1, ezért a Snellius-Descartes-törvény alapján: Refraktometria Híg oldatok törésmutatója (n1) koncentrációfüggő (c): n 1 = n 0 + k c n0 = oldószer törésmutatója, k = konstans n 1 = n 2 sin β h tehát n2 ismeretében βh megmérésével kiszámíthatjuk a beesési közeg törésmutatóját (n1). Alkalmazás feltételei: A minta folyadék A minta átlátszó A minta törésmutatója kisebb mint a mérőprizmáé

2 n1 n2 Teljes belső visszaverődés n2 > n1 Optikai tengely α = 90 súrlófény α = β βh = határszög (kritikus szög) β > βh A befogott kúpban: a teljes horizont e Határszög alatt haladó szélső nyaláb Snell-kör Határszög alatt haladó szélső nyaláb Tükröződés Teljes belső visszaverődés Teljes belső visszaverődés alkalmazása: optikai fényvezetés Egymódusú rost Nagy törésmutatójú mag Optikai szál (rost) Kis törésmutatójú köpeny Sokmódusú rost Rávetülő Lencse Rost köteg Egyetlen optikai szál Átvitt Endoscopia CÉLOK 1. Diagnosztika: lokális inspekció, biopszia, kontrasztanyag beadás 2. Terápia: sebészet, kauterizáció (vérzéscsillapítás), idegentest eltávolítás TÍPUSOK Arthroscopia (ízületek); Bronchoscopia (légutak); Colonoscopia (colon); Colposcopia (vagina és cervix); Cystoscopia (cysta, ureter, urehthrán keresztül); ERCP (endoscopiás retrográd cholangiopancreatographia, kontrasztanyag bejuttatása az epeutakba és a ductus pancreaticusba); EGD (Esophago-gastroduodenoscopia); Laparoscopia (abdominalis szervek vizsgálata a hasfalon keresztül); Laryngoscopia (larynx); Proctoscopia (rectum, sigma); Thoracoscopia (pleura, mediastinum, pericardium a mellkasfalon keresztül). Fényvisszaverődés az optikailag sűrűbb közegben Ha az optikai szálak geometriája megtartott, akkor a köteg a et hűen továbbítja. Arthroscopiás sebészet Einstein: tömeg-energia ekvivalencia Fénytörés során a foton impulzusa megváltozik Planck: sugárzási törvény Maxwell: fény terjedési sebessége Fénytörő részecskék optikai erőkkel megfoghatók: Lézer Az optikai csipesszel élő sejtek is megfoghatók Mikroszkóp objektív F F Grádiens erő Louis-Victor-Pierre- Raymond, 7th duc de Broglie ( ) A foton impulzusa: A refrakció fényimpulzus-változással (ΔP) jár: Fénytörő mikrogyöngy Belépő fénynyaláb P 1 P 2 ΔP F=ΔP/Δt Fénytörő mikrogyöngy EGYENSÚLY Szórási erő (fénynyomás) Az optikai csipeszben a fotonok és a fénytörő részecske között impulzuscsere lép fel 3 µm átmérőjű latex (polistirol) mikrogyöngyök optikai csipeszben Baktérium csapdázása optikai csipesszel

3 Csomókötés egyetlen molekulafonálra optikai csipesszel A fény mint hullám érzékelhető paraméterei Aktin filamentum DNS Fáziskontraszt Fluoreszcencia Amplitudó (A) ~ Intenzitás (I): A 2 ~I Fényerősség Szemmel érzékelhető Mágneses tér Rezgési sík térbeli állása - Polarizáció Szemmel NEM érzékelhető! Fluoreszcencia Hullámhossz - Fizikai szín Szemmel érzékelhető Elektromos tér Rezgés állapota a periódusban - Fázis Szemmel NEM érzékelhető! Terjedés iránya Arai et al. Nature 399, 446, Fázis, fáziskontraszt mikroszkópia Polarizált fény és kölcsönhatásai Rezgés (eletkromos v. mágneses tér) kitüntetett irányú - rezgési sík kitüntetett állású Kioltás φ=-λ/4-λ/4=-λ/2 Erősítés φ=λ/4-λ/4=0 Élő (festetlen) sejtek mikroszkópos e Síkpolarizált fény Cirkulárisan polarizált fény: Vertikálisan és horizontálisan síkpolarizált, azonos hullámhosszú, λ/4 fáziskülönbségű hullámok szuperpozíciója Jobbra forgó Balra forgó Frits Zernike ( ) Nobel-díj Fázis: azt mutatja meg, hogy a teljes hullámmozgási periódus (2ϖ) mely részén tart a rezgés. sík Vastag részén (mellékmaximumok helyén): λ/4 fáziskésés mellékmaximumok Világos látóterű mikroszkóp Vertikálisan síkpolarizált fény Jobbra és balra cirkulárisan polarizált fény szuperpozíciója síkpolarizált fény eredményez: Optikailag sűrű közegben a fény lelassul - mivel a frekvencia konstans, a hullámhossz csöken Fázisszöggel (φ) fejezzük ki. Hullámok egymáshoz viszonyított fáziskülönbsége: fáziseltolódás (késés v. sietés) Bal oldali nyaláb: Mellékmaximum fázisa késik a főmaximuméhoz est φ=-λ/4 φ=λ/4 Jobb oldali nyaláb: Mellékmaximum fázisa siet a főmaximuméhoz est Fáziskontraszt mikroszkóp A rezgési sík orientációja a cirkulárisan polarizált hullámok relatív fázisai függvénye *Anizotrópia (kettőstörés): a törésmutató (~fény terjedési sebessége) irányfüggést mutat a mintában (különböző irányokban más értékeket vesz fel). nközeg>nkörnyezet Anizotróp* közegben a cirkulárisan polarizált komponensek között fáziseltolódás lép fel: a kilépő fény rezgéssíkja elfordul Mozgóek - nvertikális nhorizontális

4 Fényforrás Polarizáció alkalmazásai Polarimetria Polarizálatlan fény Síkpolarizált fény Polarizációs mikroszkópia Harántcsíkolt izomrost polarizációs mikroszkópban Optikai leezés az emberi szemben A retinán kicsinyített, fordított állású valós keletkezik. Rezgéssík elfordul a mintán való áthaladás során Polarizátor Elforgatás szöge A-szakasz Minta Izomrostok I-szakasz Analizátor (Polarizátorral keresztállásban) Vizsgáló Elforgatás szöge az optikailag aktív* anyag koncentrációjától (c) függ: [ ] D 20 α = α c l [α]=fajlagos forgatóesség ( 20 : szobahő; D : Na spektrális vonala λ=589 nm) l=rétegvastagság (mintatartó hossza) A-szakasz: anizotróp (kettőstörő) szakasz (helikális filamentumokba rendezett miozinmolekulákat tartalmaz) I-szakasz: izotróp szakasz *Optikailag aktív anyag: királis molekulákat tartalmazó minta, amely a síkpolarizált fény rezgéssíkját elforgatja. Az emberi szem horizontális metszeti szerkezete A szem optikája Akkomodáció és refrakciós hibák Szembe jutó optikai teljesítmény (P): P = Jπ d 2 P max = d max P min d min D = n n' r 2 2 = 16 J=intenzitás (W/m 2 ) d=pupilla átmérő A pulilla átmérő függvényében: dmax=8 mm dmin=2 mm Törőfelületek törőessége (D): n-n =határoló törőközegek (levegő, a szem optikai közegei) törésmutatókülönbsége r=törőfelület görbületi sugara Hypermetropia (távollátás) Korrekció gyűjtőlencsével Myopia (közellátás) Akkomodáció: A szem törőességének adaptálódása a tárgytávolsághoz. Alapja: a szemlencse görbületi sugarának megváltozása. Akomodációs esség: a közelpont és távolpont közötti, dioptriában kifejezett különbség. Távolba nézés: Astigmatismus: a fókusztávolság az x- és y-síkokban különböző Közelre nézés: Presbyopia: Az akkomodációs esség csöken. Kor előrehaladtával fokozódik (>45 év). Közellátás romlik. Refrakciós hiba végleges javítása: LASIK (Laser Assisted In Situ Keratomileusis) N.B.: 1) n-n legnagyobb a levegő-cornea határfelületen. 2) A törőesség változtatására két mechanizmus kínálkozik (n és r változtatása)! Korrekció szórólencsével Korrekció cilindrikus (hengeres) lencsével A szaruhártya lokális görbületi sugarát változtatjuk meg (lézersebészeti eljárással)

5 A szem feloldóessége I. Hullámoptikai korlát Diffrakció miatt: pontszerű tárgy e elhajlási korong (Airy korong) Tárgy Kép Sir George Biddel Airy ( ) Rayleigh feltétel: a tárgypontok feloldhatók, ha nincs túl nagy átfedés a eik között átfedés Lord Rayleigh ( ) Legkisebb feloldott távolság behatárolt (Abbe-let): d = 0.61λ n sinα λ = hullámhossz n = közeg törésmutatója α = optikai tengely és legszélső nyaláb által bezárt szög (félnyílásszög) Ernst Abbe ( ) A szem feloldóessége II. Tárgy Biológiai korlát: receptorsejt-sűrűség Receptorokra eső ~2μm Látásérzet Feloldás feltétele: legalább egy inaktivált receptorsejt legyen két aktivált receptorsejt között. Ekkor a legkisebb látószöghatár a redukált szemmodell alapján (αb) 0.8. Az emberi szemben a hullámoptikai és biológiai feloldóesség értékei nagyjából egybeesnek. Az emberi szem hullámoptikai feloldóessége: Tárgytávolság (t) α Csomópont Képtávolság (k=17 mm) Redukált szemmodell Látásélesség (visus, Visual Acuity, VA): látásélesség = 1' α 100% α=kísérleti (mért) látószöghatár Látásélesség mérése Látószöghatár: α H =1.22 λ d Az a legkisebb látószög, amelynél két különálló pontot meg tudunk különböztetni egymástól. Közepes hullámhossz (550 nm) és pupilla átmérő (4 mm) értékekre: 0.6 Normál látószöghatár egészséges emberben: 1 (=100% visus) Színkódolás, színlátás Additív színkódolás Bármely szín kikeverhető a három alapszín (R=vörös, G=zöld, B=kék) megfelelő súlyozású összekeverésével X = rr + gg + bb Emberi szem színérzékeny receptorainak (csapok) abszorpciós spektrumai Emberi szemben: 3 különböző színérzékeny receptor. Mindegyik receptor más-más színtartományban érzékeny, azaz más színeket nyel el (R=64%, G=32%, B=2%).