Optika gyakorlat 3. Sugáregyenlet, fényterjedés parabolikus szálban, polarizáció, Jones-vektor. Hamilton-elv. Sugáregyenlet. (Euler-Lagrange egyenlet)

Hasonló dokumentumok
Optika gyakorlat 1. Fermat-elv, fénytörés, reexió sík és görbült határfelületen. Fermat-elv

Optika gyakorlat 2. Geometriai optika: planparalel lemez, prizma, hullámvezető

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Optika gyakorlat 7. Fresnel együtthatók, Interferencia: vékonyréteg, Fabry-Perot rezonátor

Optika gyakorlat 1. Fermat-elv, fénytörés, reflexió sík és görbült határfelületen

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

A gradiens törésmutatójú közeg I.

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

1. ábra. 24B-19 feladat

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

MODELLEZÉS - SZIMULÁCIÓ

y = y 0 exp (ax) Y (x) = exp (Ax)Y 0 A n x n 1 (n 1)! = A I + d exp (Ax) = A exp (Ax) exp (Ax)

Az elméleti mechanika alapjai

Számítógépes Grafika mintafeladatok

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Szélsőérték feladatok megoldása

Legyen a rések távolsága d, az üveglemez vastagsága w! Az üveglemez behelyezése

Elektromágneses sugárzás

Számítógépes Grafika mintafeladatok

Matematika (mesterképzés)

Differenciaegyenletek

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Robotika. Kinematika. Magyar Attila

13. Előadás. A Grid Source panelen a Polarization fül alatt megadhatjuk a. Rendre az alábbi lehetőségek közül választhatunk:

17. előadás: Vektorok a térben

ANALÍZIS II. Példatár

Fizika feladatok február 21.

Kristályok optikai tulajdonságai. Debrecen, december 06.

1. Az előző előadás anyaga

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Tárgy. Forgóasztal. Lézer. Kamera 3D REKONSTRUKCIÓ LÉZERES LETAPOGATÁSSAL

Optika gyakorlat 5. Gyakorló feladatok

Egyszabadságfokú grejesztett csillapított lengõrendszer vizsgálata

Statikailag határozatlan tartó vizsgálata

MÉRÉS SPEKTROSZKÓPIAI ELLIPSZOMÉTERREL

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

Egy mozgástani feladat

Lineáris egyenletrendszerek

5. házi feladat. AB, CD kitér élpárra történ tükrözések: Az ered transzformáció: mivel az origó xpont, így nincs szükség homogénkoordinátás

3.1. ábra ábra

Fourier transzformáció

Feladatok az 5. hétre. Eredményekkel és teljesen kidolgozott megoldásokkal az 1,2,3.(a),(b),(c), 6.(a) feladatokra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Optika és Relativitáselmélet

Vektorok és koordinátageometria

3. OPTIKA I. A tér egy pontján akárhány fénysugár áthaladhat egymás zavarása nélkül.

1 2. Az anyagi pont kinematikája

Denavit-Hartenberg konvenció alkalmazása térbeli 3DoF nyílt kinematikai láncú hengerkoordinátás és gömbi koordinátás robotra

Koordinátageometria. M veletek vektorokkal grakusan. Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar Matematika Tanszék 1

Csuklós mechanizmus tervezése és analízise

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

Elektromágneses hullámok

Végeselem analízis. 1. el adás

MODELLEZÉS - SZIMULÁCIÓ

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Ψ - 1/v 2 2 Ψ/ t 2 = 0

Koordinátarendszerek

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Nagy András. Feladatok a koordináta-geometria, egyenesek témaköréhez 11. osztály 2010.

Pere Balázs október 20.

Optika I. 1. Geometriai optika A geometriai optika törvényei A teljes visszaver dés

Valasek Gábor Informatikai Kar. 2016/2017. tavaszi félév

3. előadás Stabilitás

EGY ABLAK - GEOMETRIAI PROBLÉMA

9. Írjuk fel annak a síknak az egyenletét, amely átmegy az M 0(1, 2, 3) ponton és. egyenessel;

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

12. Előadás. síktükör felé induljon a sugár. Amíg a forrásig visszajut a folyamatot három elemre bonthatjuk

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

"Flat" rendszerek. definíciók, példák, alkalmazások

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

Fizika 1i, 2018 őszi félév, 1. gyakorlat

Gyakorlati példák Dr. Gönczi Dávid

Tartalom. Nevezetes affin transzformációk. Valasek Gábor 2016/2017. tavaszi félév

5. előadás. Skaláris szorzás

5 1 6 (2x3 + 4) 7. 4 ( ctg(4x + 2)) + c = 3 4 ctg(4x + 2) + c ] 12 (2x6 + 9) 20 ln(5x4 + 17) + c ch(8x) 20 ln 5x c = 11

Analitikus térgeometria

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

2014/2015. tavaszi félév

y + a y + b y = r(x),

Példa keresztmetszet másodrendű nyomatékainak számítására

HÁZI FELADATOK. 2. félév. 1. konferencia Komplex számok

1. feladat. 2. feladat

x = cos αx sin αy y = sin αx + cos αy 2. Mi a X/Y/Z tengely körüli forgatás transzformációs mátrixa 3D-ben?

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

2. OPTIKA. A tér egy pontján akárhány fénysugár áthaladhat egymás zavarása nélkül.

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

Tartalom. Descartes-koordináták. Geometriai értelmezés. Pont. Egyenes. Klár Gergely 2010/2011. tavaszi félév

Hajder Levente 2017/2018. II. félév

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Tartalom. 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció)

Vektorgeometria (1) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Átírás:

Optika gyakorlat 3. Sugáregyenlet, fényterjeés parabolikus szálban, polarizáció, Jones-vektor Hamilton-elv t2 t2 δ Lq k, q k, t) t δ T V ) t 0 t 1 t 1 t L L 0 q k q k Euler-Lagrange egyenlet) De mi az optikai Lagrange függvény? B B δ OP L) δ nr) s δ n B x 2 + y 2 + 2 δ nx, y, z) 1 + x 2 + y 2 A A A }{{} Lagrangefv. q k q 1, q 2 ) x, y) : t {}}{ 0 L x L x 0 ; x x L y L y 0 ; y y Sugáregyenlet L x n x 1 + x 2 + y 2 ; ) n x 1 + x 2 + y 2 L x n 1 + x x 2 + y 2 1 + x 2 + y 2 n x Inhomogén közegben a sugár terjeését a sugáregyenlet írja le paricális vektor) ierenciálegyenlet), amelyet legtöbbször numerikusan olunk meg. Az Euler-Lagrange egyenletekb l kapjuk: n x ) nx, y, z) s s x ; n y ) nx, y, z) s s y n r ) nx, y, z) Ray equation) s s ; *) n ) nx, y, z) s s z 1

speciális eset n nx; y) n ) n s s z 0 n s β konstans nx, y) cos θx, y) β nx, y) sin φx, y) β n s nx; y) 1 + x 2 + y 2 ) *) β x nx; y) β n x Euler-Lagrange egyenletek 2 x 2 ñ n β x 1 n 2 2 β 2 x ; 2 y 2 ñ n β y 1 n 2 2 β 2 y 1. péla: Fény pályája homogén közegben - sugáregyenlet Határozzuk meg a fény pályáját homogén közegben a sugáregyenlet felhasználásával. Megolás: Homogén közegben a törésmutató állanó: nx, y, z) konstans A sugáregyenlet szerint r n ) nx, y, z) s s Mivel az n törésmutató állanó, ezért minen eriváltja nulla, így: r n s s ) 2 r s 2 0 A másoren ierenciálegyenlet megolását két integrálást követ en kapjuk, melynek általános alakja: r a s + b Az ilyen típusú egyenletek egyeneseket parametrizálnak a térben. Tehát homogén közegben a fény egyenes vonalon terje. 2. péla: Fénytörés két közeg határfelületén - sugáregyenlet Igazoljuk a törési törvényt a sugáregyenlet felhasználásával. Megolás: A közegeken belül a törésmutató állanó, a közeghatáron peig ugrásszer en változik: x > x 0 esetén nx, y, z) n 1 és x < x 0 esetén nx, y, z) n 2. Az n nx, y) speciális esetre vonatkozó sugáregyenletet felírva: s n s ) n z 0 A ierenciálegyenlet megolását integrálással meghatározva kapjuk: n s kostans A erivált értékét szögekkel kifejezve: s sinφ Ezt visszaírva a sugáregyenlet megolásába éppen a törési törvényt kapjuk: n sinφ konstans 2

3. péla: Fény pályája lineáris törésmutatójú közegben Legyen a törésmutató eloszlás x > 0 esetén n 2 x) n 2 0 x és x < 0 esetén n2 x) n 2 0. A fénysugár az xz 0) 0 helyen x z 0) tgθ 0 szög alatt lép be a közegbe. A sugáregyenlet segítségével határozzuk meg a fénysugár útját! Megolás: Az Euler-Lagrange egyenletek alapján 2 x 2 ñ n β x 1 n 2 2 β 2 x Ie behelyettesítve az x > 0 térrész törésmutató-eloszlását kapjuk: 2 x 2 2 β 2 A homogén lineáris másoren ierenciálegyenlet általános megolását két integrálást követ en kapjuk: x 2 β 2 z + A xz) 4 β 2 z2 + A z + B Az általános megolásban szerepl konstans értékek a kezeti feltételekre való illesztéssel határozhatók meg: xz 0) 0 B 0 Ezzel a fénysugár útja: x z 0) tgθ 0 A tgθ 0 xz) 4 β 2 z2 + tgθ 0 z ahol β n 0 cosθ 0. Ilyen a ráióhullámok terejése az ionoszférában. 4. péla: Parabolikus szál hullámvezet ) Legyen a törésmutató eloszlás: n 2 x, y) n 2 0 2 x 2 + y 2 ) ; << 1 A sugáregyenlet segítségével határozzuk meg a fénysugár útját! 1. ábra. Parabolikus szálban halaó fénysugár számolás - Comsol Ray Optics moule) 3

Megolás: Az Euler-Lagrange egyenletek szerint: 2 x 2 ñ β n x 1 2 β n2 2 x Ahol a törésmutató helyfüggésének megfelel en: n 2 x 22 x Ezt visszahelyettesítve az Euler-Lagrange egyenletbe: 2 x 2 1 2 β 2 22 ) x Átrenezve a következ másoren, homogén, lineáris iereciálegyenletet kapjuk: 2 x 2 + β ) 2 x 0 Ez a típusú ierenciálegyenlet az egyimenziós harmonikus oszcillátor mozgásegyenlete. Megolásának általános alakja: xz) A cos β z) + B sin β z) Az y koorinátára teljesen analóg móon a sugáregyenletb l hasonló ierenciálegyenlet vezethet le, melynek általános megolása: yz) C cos β z) + D sin β z) A fénysugár útját meghatározó két egyenletben szerepl négy konstans értékét a kezeti feltételek határozzák meg. 1. speciális eset: A fénysugár az x z síkban terje, s az origóban Θ 0 szögben lép be a hullámvezet be. Ekkor az értékekre és a eriváltakra felírt kezeti feltételekb l a következ értékek aónak a konstansokra: xz 0) 0 A 0 Továbbá a β n s egyenletb l: ahol n 0 az origó törésmutatóját jelöli. Ezt visszahelyettesítve B egyenletébe kapjuk: yz 0) 0 C 0 x z 0) tgθ 0 β B B β tgθ 0 y z 0) 0 D 0 β nx, y) cosθx, y) n 0 cosθ 0 B n 0 cosθ 0 tgθ 0 n 0 sinθ 0 4

Ezzel a fénysugár útja: xz) n 0 sinθ 0 sin z) n 0 cosθ 0 2. speciális eset: A fénysugár x x 0 helyen lép be a hullámvezet be y z 0) tgθ 0 szög alatt. Ekkor az értékekre és a eriváltakra felírt kezeti feltételekb l a következ értékek aónak a konstansokra: xz 0) x 0 A x 0 yz 0) 0 C 0 x z 0) 0 B 0 y z 0) tgθ 0 β D D β tgθ 0 A kezeti feltételekb l aóó konstansokat behelyettesítve az általános megolásba: xz) x 0 cos β z) Továbbá a β n s egyenletb l: yz) β tgθ 0 sin β z) β nx, y) cosθx, y) nx 0, 0) cosθ 0. Ezen belül is vizsgáljunk egy speciális esetet, amikor x 0 β tgθ 0. Ekkor: xz) x 0 cos β z) ami azt jelenti, hogy z-t l függetlenül yz) x 0 sin β z) xz) 2 + yz) 2 x 2 0 Az ilyen típusú egyenletek spirális pályán való terjeést írnak le. A fény polarizációja Tekintsünk egy z irányba terje síkhullámot. A térer sség vektor a terjeési irányra mer keges irányban helyezkeik el, általános esetben az alábbi függvénnyel írható le: Ez, ) t) Re A exp iωt kz), ahol A komplex amplituó felbontható külön x és z irányú komponensekre: 5

A A x x + A y y a x exp iφx x + a y exp iφy y A hullám z irányú terjeése során, aott z koorináta esetén térer sség vektor minig felfogható két azonos frekvenciájú, e különböz amplituójú és fázisú rezgés összegének, ahol az egymásra ortogonális komponensek: E x a x cosωt kz + φ x ) E y a y sinωt kz + φ y ) A térer sség vektor végpontja általános esetben egy ellipszis kerületén mozog: E 2 x a 2 x + E2 y a 2 y cos 2 ωt kz + φ x ) + cos 2 ωt kz + φ y ) sin 2 φ) + 2cosφ ExE y a x a y, ahol φ φ y φ x Lineárisan poláris fény: 2. ábra. Forrás: Saleh-Teich: Funamentals of Photonics φ x φ y + mπ E x ± a y )E y E a a 2 x + a 2 y x Cirkulárisan poláris fény: Θ tan 1 a y a x ) φ ± π 2 a x a y a 0 E x a 0 cosωt kz + φ 0 ) E y ±a 0 sinωt kz + φ 0 ) E2 x a 2 x + E2 y a 2 y 1 a kör egyenlete E x ± a y a x )E y E Θ tan 1 a y a x ) A polarizáció síkja az x tengellyel Θ szöget zár be. a 2 x + a 2 y 6

3. ábra. Forrás: Saleh-Teich: Funamentals of Photonics Jones-vektor Ha az A x és A y kompnenseket vektorba renezzük, a Jones-vektort kapjuk: [ ] [ ] Ax ax exp J iφx A y a y exp iφy A hullám intenzitása felírható a Jones vektor segítségével: I cɛ 2 J J cɛ 2 a2 x + a 2 y) A tovabbiaban a konvenció szerint a Jones vektorok hosszát 1-re normálva ajuk meg. Az alábbi táblázatban megtalálható a linárisan poláris, a jobbra cirkulárisan poláris RCP) valamint balra cirkulárisan poláris LCP) fény Jones-vektora: 7

Mátrix reprezentáció: polarizációs eszközök A fény polarizációs állapota polarizációs eszközökkel megváltoztatható. A legegyszer bb polarizációs eszközök lineárisak, ezáltal egyszer mátrix transzformációval jellemezhet ek. A bemeneti J 1 Jones-vektor az eszközön való áthatláást követ en átalakul J 2 Jones-vektorrá. [ ] [ ] [ ] A2x T11 T J 2 T J1 12 A1x A 2y T 21 T 22 A 1x ahol a T a polarizációs eszköz ún. Jones-mátrixa. A következ kben mevizsgáljuk néhány eszköz Jones mátrixát. 5. péla: lineáris polarizátor, fáziskésleltet lemez, polarizációs forgató Írjuk fel a lineáris polarizátor, fáziskésleltet lemez és polarizáció forgató kocka Jones mátrixát! Lineáris polarizátor Az x-irányú lineáris polarizátor csak az x irányú polarizációt tartja meg: [ ] [ ] [ ] A2x 1 0 A1x A 2y 0 0 A 1y [ ] 1 0 T 0 0 Fáziskésleltet lemez 4. ábra. Forrás: Saleh-Teich: Funamentals of Photonics Az y-irányban φ fázikésleltetést ereményez fázistolólemez mátrixa: [ ] [ ] [ ] A 1x 1 0 A1x e i φ A 1y 0 e i φ A 1y [ ] 1 0 T 0 e i φ Két speciális esetet szoktunk kiemelni, a λ/4 -es és λ/2-es lemezt: λ/4-es lemez: φ π [ ] 1 0 2 T 0 ±i [ ] 1 0 λ/2-es lemez: φ π T 0 1 A λ/4 -es lemez linárisan polarizált fényb l cirkulárisan polarizált fényt csinál, a λ/2 -es lemez peig balra cirkulárisan polarizált fényb l jobbra cirkulárisan polarizáltat csinál és forítva. 8

Polarizáció forgató lemez 5. ábra. Forrás: Saleh-Teich: Funamentals of Photonics A polarizáció forgató lemez a lineáris polarizáció irányát forgatja el Θ szöggel, miközben a lineáris polarizációs állapot megmara. A transzformáció mátrixa megegyezik a közismert, lineáris transzformáció forgatási mátrixával. [ ] [ ] [ ] A2x cosθ) sinθ) A1x A 2y sinθ) cosθ) A 1y [ ] cosθ) sinθ) T sinθ) cosθ) 6. péla: Tetsz leges szögben álló lineáris polarizátor Határozzuk meg az optikai tengellyel Θ szöget bezáró lináris polarizátor Jones-mátrixát! A Θ szöggel elforgatott koorinátatengely renszerben az ábrán x' és y' tengelyekkel jelölve) a Jones mátrix: [ ] T 1 0 0 0 Az óramutató járásáva ellentétes irányban Θ szöggel való forgatás koorináta transzformáció mátrixa x x koorináta transzformáció): [ ] cosθ) sinθ) RΘ) sinθ) cosθ) 9

Az óramutató járásáva megyez irányban Θ szöggel való forgatás koorináta transzformáció mátrixa x x koorináta transzformáció): [ ] cosθ) sinθ) R Θ) sinθ) cosθ) Ha az x y renszerben kívánjuk felíni a T transzformációs mátrixot, akkor R Θ) koorináta transzformációt kell alkalmaznunk -Θ szöggel el kell forgatunk a tengelyeket). Az új x y renszerben felírva a transzformációt, a következ t kapjuk: T R Θ) 1 T R Θ) RΘ) T R Θ) [ ] [ ] [ ] cosθ) sinθ) 1 0 cosθ) sinθ) T sinθ) cosθ) 0 0 sinθ) cosθ) [ ] [ ] [ cosθ) sinθ) cosθ) sinθ) cos 2 ] Θ) sinθ)cosθ) sinθ) cosθ) 0 0 sinθ)cosθ) sin 2 Θ) 10